TiO2负载高分散Ru-Ni双金属纳米颗粒的光热催化CO2连续加氢制太阳能燃料研究

为解决温室气体减排与能源需求矛盾，研究人员通过UV-LED光沉积法在TiO2表面构建高分散Ru-Ni双金属纳米颗粒（<2 nm），实现全光谱驱动CO2光热加氢。该催化剂在250℃、1.7 bar条件下实现6% CO2转化率，CH4选择性达98%，为碳捕获与利用（CCU）技术提供新策略。

　　

全球变暖与能源危机背景下，CO₂催化转化技术成为研究热点。传统热催化需高温高压，而单纯光催化效率低下。如何开发能在温和条件下高效转化CO₂为燃料的催化剂，成为实现"碳中和"目标的关键挑战。

针对这一难题，西班牙萨拉戈萨大学的研究团队创新性地采用UV-LED光沉积技术，在P25 TiO₂表面构建了高分散的Ru-Ni双金属纳米颗粒（粒径<2 nm）。通过精确控制Ni²⁺（E⁰=-0.257 V）和Ru³⁺（E⁰=0.2487 V）的分步光还原，克服了两种金属标准还原电位差异导致的共沉积难题。该研究通过系统的表征和催化测试，揭示了双金属协同作用机制，相关成果发表在《Catalysis Today》上。

研究采用四大关键技术：1）UV-LED光沉积法构建M-TiO₂催化剂；2）HAADF-STEM结合EDX mapping分析纳米颗粒分散性；3）H₂-TPR和原位DRIFTS研究反应机理；4）多波长LED（365-940 nm）光反应系统评估光热效应。

【3.1 光沉积材料的表征】
通过MP-AES测定Ni/TiO₂和Ru/TiO₂的金属负载量分别为1.6 at%和0.5 at%。HAADF-STEM显示双金属Ru:Ni-TiO₂颗粒尺寸仅1.23±0.3 nm，UV-Vis证实Ru沉积增强了近红外吸收。XRD证明金属沉积未改变TiO₂晶格结构。

【3.2 程序升温还原测试】
H₂-TPR显示Ru在80℃即可还原，并通过氢溢流诱导TiO₂表面氧空位(V_O)生成。Ni还原峰（287℃）在双金属体系中向低温移动，证实Ru-Ni相互作用。

【3.3 XPS表面分析】
XPS揭示光沉积后Ru以氧化态为主（Ruⁿ⁺），但反应后金属Ru比例升至34.1%，证实反应过程中Ru的还原参与催化循环。

【3.4 LED驱动光催化】
在CO₂/H₂=1/4、250℃条件下，Ru:Ni-TiO₂表现出最高CH₄选择性（98%）和5.77 mmol/g_cat·h产率。单金属催化剂则随反应时间出现CH₄选择性衰减。

【3.5 热催化对比】
热催化测试显示Ru:Ni-TiO₂的CO₂转化率（5.2%）高于光催化条件（3%），证实其光热协同机制。活化能测试显示Ru-TiO₂（25 kcal/mol）低于Ni体系（45 kcal/mol）。

【3.6 原位DRIFTS解析机理】
发现关键中间体：碳酸盐（-CO₃）、甲酸盐（-CO₂H）和吸附CO（Ni-CO/Ru-CO）。双金属催化剂促进CO₂通过V_O位点直接吸附为CO*，进而加氢为CH₄。

该研究突破性地实现了三个创新：1）开发分步光沉积法解决Ru/Ni共沉积难题；2）阐明氢溢流诱导V_O增强CO₂吸附的机制；3）证明双金属催化剂在全光谱下的光热协同效应。相比传统Xe灯系统，LED光源（1536 W/m² UV，980 W/m² IR）能耗降低90%以上，为工业化应用提供了经济可行的解决方案。这项工作不仅为CO₂资源化利用提供了新材料体系，更为设计多波长响应型光热催化剂提供了理论指导。