层状双氢氧化物基材料在CO2光催化与电催化转化中的应用研究进展

针对全球变暖与CO2减排难题，研究人员系统综述了层状双氢氧化物（LDHs）在光催化/电催化CO2转化中的研究进展，揭示了其高孔隙率、可调变性和结构稳定性等优势，为设计高效催化剂提供理论支撑，推动CCUS技术商业化应用。

　　

全球变暖已成为威胁人类生存的紧迫问题，而CO₂作为主要温室气体，其排放量持续攀升。尽管现有碳捕集与封存技术（CCUS）能暂时缓解排放压力，但将CO₂转化为高附加值化学品才是实现碳循环经济的根本途径。然而，CO₂分子固有的化学惰性（C=O键能高达750 kJ/mol）和复杂多电子还原过程，使得传统热催化需要苛刻条件且效率低下。在这一背景下，光催化和电催化技术因其温和反应条件、可直接利用可再生能源等优势备受关注，但核心挑战在于开发兼具高活性、选择性和稳定性的催化剂。

King Fahd University of Petroleum and Minerals（沙特阿拉伯法赫德国王石油矿产大学）的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表综述，系统阐述了层状双氢氧化物（Layered Double Hydroxides, LDHs）这类具有层状结构和可调电子特性的材料在CO₂催化转化中的独特优势。通过分析近年来的突破性研究，团队指出LDHs通过其[Mg_(1-x)²⁺Al_x³⁺(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·mH₂O结构（其中A为插层阴离子），可实现CO₂的高效吸附活化，并通过金属价态与层间阴离子的协同作用调控产物选择性，最终实现CH₃OH、CO、CH₄等高价值化学品的定向合成。

研究采用的技术方法主要包括：1）共沉淀法和水热法构建LDHs基础结构；2）离子交换与表面修饰优化电子传输性能；3）原位光谱技术（如X射线吸收精细结构谱）追踪催化反应路径；4）电化学测试系统评估法拉第效率与周转频率。

LDH基催化剂的基础与CO₂转化意义
研究揭示LDHs的碱性位点可化学吸附CO₂形成单齿/双齿碳酸盐，其层板金属离子（如Cu²⁺/Co³⁺）作为活性中心促进C=O键断裂。相较于传统金属有机框架（MOFs）和沸石，LDHs的层间距可动态调节以适应不同反应中间体。

光催化CO₂转化：未修饰LDHs的性能
ZnCr-LDH在可见光下表现出4.8 μmol/g/h的CH₄产率，归因于其窄带隙（2.1 eV）和快速空穴迁移能力。层间水分子的氢键网络还被发现可稳定*COOH关键中间体。

改性LDHs的突破性进展
通过将NiFe-LDH与石墨烯复合，光电流密度提升3倍，这是由于石墨烯的电子受体特性抑制了载流子复合。硫掺杂的CuAl-LDH则将HCOOH选择性从62%提高到89%。

电催化体系的工业化潜力
CoAl-LDH在-1.2 V（vs. RHE）电位下实现96%的CO选择性，连续运行100小时无衰减。研究强调层间CO₃^2-的缓冲作用维持了局部pH稳定，避免催化剂溶解。

这项研究不仅证实LDHs可通过组分设计实现“催化剂-产物”精准匹配，还提出了“动态重构活性界面”的新机制——在反应过程中，部分LDHs会转变为非晶态金属氢氧化物，暴露出更多配位不饱和位点。未来研究需聚焦于大规模合成工艺优化和反应器设计，以解决当前面临的太阳能转化效率偏低（普遍<5%）等问题。该成果为碳中和目标下的CO₂资源化利用提供了极具前景的材料体系。