双功能界面工程策略制备纳米多界面 Al2O3-In/In2O3，助力光热催化 CO2加氢制甲醇

为解决 In2O3光热催化 CO2制甲醇时，光吸收不足、CO2活化不充分等问题，研究人员开展双功能界面工程构建 Al2O3-In/In2O3的研究。结果显示该催化剂性能显著提升，为光热催化研究提供新思路。

　　

在当今时代，能源与环境问题日益严峻。化石燃料的大量燃烧，就像一把双刃剑，一方面它为我们的生活和生产提供了不可或缺的能量，但另一方面，却引发了两个紧密相连的重大危机：二氧化碳排放导致的全球变暖以及能源短缺。将二氧化碳（CO₂）催化转化为甲醇（CH₃OH），这一过程意义非凡，甲醇作为关键的 C1 平台分子，不仅能助力闭合碳循环，还能成为可再生液体燃料以及化工原料的重要来源。然而，传统的热催化方法在这场 “二氧化碳变甲醇” 的转化之旅中困难重重。二氧化碳本身具有极高的热力学稳定性，其吉布斯自由能（ΔG = ?394 kJ?mol^-1）使得它难以被轻易转化；同时，逆水煤气变换（RWGS）反应在动力学上占据主导地位，这就导致传统热催化需要在高温（>250 °C）、高压（5–10 MPa）的苛刻条件下进行，如此一来，能源消耗巨大，而且在大规模应用上也受到诸多限制。

在这样的背景下，光热催化技术应运而生，它巧妙地将光激发产生的电荷与热活化结合起来，如同为二氧化碳转化开辟了一条新的 “绿色通道”，使得在环境压力下高效转化二氧化碳成为可能。氧化铟（In₂O₃）凭借自身独特的氧空位（O_V）介导活化机制，在甲醇合成领域崭露头角，能够实现超过 80% 的甲醇选择性。但它也并非十全十美，存在着两个 “顽固” 的局限性：一是较宽的带隙（约 3.2 eV），这使得它只能吸收紫外线波长的光，大大限制了光的利用范围；二是缺乏足够的活性位点，难以有效地激活二氧化碳分子。目前的光热催化设计大多聚焦于广谱光吸收，期望以此获得最大的热输出，可这种方法却在无意间加剧了逆水煤气变换反应的热力学趋势，导致选择性和转化率之间的权衡问题始终无法得到有效解决。所以，研发一种在温和条件下，既能提高光子利用效率，又对二氧化碳加氢制甲醇具有高选择性的 In₂O₃基催化剂，成为了科研人员们亟待攻克的难题。

广西大学的研究人员勇敢地向这一难题发起挑战。他们开展了一项关于通过双功能界面工程策略制备纳米多界面 Al₂O₃-In/In₂O₃，以提升光热催化 CO₂加氢制甲醇性能的研究。研究发现，双功能界面工程在 In₂O₃还原过程中，促进了氧空位的形成，同时通过稳定的 In-O-Al 键抑制了 In 的聚集。优化后的 Al₂O₃-In/In₂O₃催化剂在光照（250 °C，0.1 MPa）条件下，甲醇生成速率达到了 352.8 μmol?g_cat^-1·h^-1 ，相比黑暗条件下的活性（88.7 μmol?g_cat^-1·h^-1）提升了 3 倍。这一成果为光热催化领域带来了新的曙光，为高效转化二氧化碳提供了更优的方案，论文发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上。

研究人员在开展此项研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是材料合成技术，通过控制 In_xAl_y-MIL-68 前驱体的煅烧来制备 Al₂O₃-In/In₂O₃ ；其次是结构表征技术，如 XRD 衍射分析和 SEM 成像技术，用于分析样品的晶体结构和微观形貌；此外，还利用了原位 IR 和密度泛函理论（DFT）计算技术，从微观层面探究催化剂的电子结构、电荷转移以及反应机理等。

合成与表征

研究人员采用了与合成 In-MIL-68 相似的方法，通过改变 In (NO₃)₃·xH₂O 和 Al (NO₃)₃·9H₂O 的比例，制备出不同 In/Al 摩尔比的 In_xAl_y-MIL-68 ，并将其进一步煅烧得到 Al₂O₃-In/In₂O₃。XRD 衍射分析和 SEM 成像结果显示，合成样品的晶体结构和形貌与文献报道的 In-MIL-68 相符，这表明成功制备出了目标材料。

双功能界面工程的作用机制

结构和 DFT 分析表明，双功能界面工程在 In/Al₂O₃/In₂O₃界面处通过稳定的 In-O-Al 键，促进了氧空位的形成，同时抑制了 In 在催化过程中的聚集。In/In₂O₃异质界面与氧空位之间的协同耦合效应，提升了光热转换效率、电荷载流子分离动力学以及底物吸附活化动力学。

光热催化性能提升

在光照条件下，多界面的 Al₂O₃-In/In₂O₃促进了 HCO₃^?→HCOO^?的中间转化过程，稳定了甲氧基物种，从动力学上更有利于甲醇的合成。优化后的催化剂在光照下甲醇生成速率大幅提升，证明了双功能界面工程策略的有效性。

研究人员通过双功能界面工程策略成功制备了纳米多界面 Al₂O₃-In/In₂O₃ ，该催化剂展现出优异的光热催化性能，为解决二氧化碳加氢制甲醇过程中的难题提供了新的途径。这一研究成果不仅在基础研究层面深化了人们对光热催化反应机理的理解，而且在实际应用中为开发高效、可持续的能源转化技术提供了理论依据和实践指导，有望推动光热催化领域的进一步发展，为缓解能源和环境危机贡献力量。