制备灯笼状 Cu/ZnFe-LDH 异质结构，开启光催化 CO2减排新征程

为解决能源危机和环境问题，研究人员开展了制备灯笼状 Cu/ZnFe-LDH 异质结构及其光催化 CO2还原性能的研究。结果显示该结构可提升光催化活性和 CH4选择性，对缓解能源与环境问题意义重大。

　　

研究背景

在当今时代，能源危机与环境问题如同一对 “孪生恶魔”，严重威胁着人类的可持续发展。随着不可再生能源的过度消耗，能源储备日益减少，而大量的二氧化碳（CO₂）排放，更是让全球气候陷入危机，冰川融化、海平面上升等问题接踵而至。利用太阳能将 CO₂光催化还原为甲烷（CH₄）、一氧化碳（CO）等优质化学品，成为解决这些难题的希望之光。然而，CO₂结构稳定，其转化过程涉及复杂的多电子反应，使得高效光催化 CO₂还原困难重重，寻找新型高效的光催化材料迫在眉睫。

层状双氢氧化物（LDHs）作为二维纳米材料中的重要一员，凭借丰富的活性位点、独特的结构、可调节的带隙、低成本以及环境友好等诸多优势，在光催化领域备受关注。它对 CO₂有良好的吸附能力，在光催化 CO₂还原方面极具潜力。但 LDHs 也存在光能利用率低、光生载流子复合严重等问题，限制了其在光催化 CO₂还原中的性能表现。

在此背景下，国内研究人员开展了一项旨在突破现有困境的研究，相关成果发表在《Applied Surface Science》上。

研究方法

研究人员采用水热法制备了三元 CuZnFe-LDH 光催化剂，之后通过热氢还原处理，构建了 Cu 与 ZnFe-LDH 半导体之间的异质结构。利用 XRD（X 射线衍射）技术对光催化剂在氢气还原前后的结构和相组成进行了分析。

研究结果

1. 相结构和形态：通过 XRD 分析发现，所有样品在 2θ 为 11.96°、20.84°、32.50°、35.80°、57.50° 和 62.10° 处均出现衍射峰，对应 LDH 结构的 (0 0 3)、(0 0 6)、(0 1 2)、(0 0 9)、(1 1 0) 和 (1 1 3) 平面。(0 0 3) 平面的弱峰表明 LDH 材料具有良好的取向生长。
2. 光催化性能：研究表明，催化剂的中空和层状堆叠结构有利于光的利用以及二氧化碳的吸附和活化。Cu 阳离子可进入 ZnFe-LDH 晶格形成三元 CuZnFe-LDH，经氢气还原后得到尺寸较小的 Cu 颗粒，与 ZnFe-LDH 形成异质结构。Cu 颗粒的负载显著增强了 ZnFe-LDH 的光吸收、光生载流子转移速率和分离效率，从而提高了光催化活性。其中，Cu_1.6ZnFe-R 催化剂表现出最高的催化活性，CO 产率为 45.35 μmol?g_cat^?1·h^?1，CH₄产率为 39.33 μmol?g_cat^?1·h^?1，分别是 ZnFe-LDH 的 2.81 倍和 6.19 倍。
3. 选择性：Cu 颗粒作为富电子中心和 CO₂吸附位点，能显著提高 CH₄的选择性并抑制 H₂的生成。Cu_1.6ZnFe-R 催化剂的 CH₄电子基选择性最高，达 65.17%，用于 CO₂还原消耗的电子数最多，为 482.80 μmoL?g_cat^?1·h^?1，而 H₂电子基选择性最低，仅为 16.04% 。

研究结论与意义

研究人员成功制备了灯笼状 Cu/ZnFe-LDH 异质结构，这种结构的催化剂具有独特优势。其空心和层状堆叠结构促进了光的利用、CO₂的吸附与活化；尺寸较小的 Cu 颗粒均匀分散在 ZnFe-LDH 表面，形成的异质结提高了光生载流子的分离和转移效率，进而提升了光催化活性和 CH₄选择性。该研究为光催化 CO₂还原提供了新的材料体系和研究思路，有望推动光催化领域的发展，为缓解能源危机和环境问题贡献力量。同时，研究中使用的非贵金属 Cu，成本较低且来源广泛，相比稀有贵金属，更具应用潜力，为后续相关研究和实际应用开辟了新方向。