等离子体驱动的热电子与氧空位的协同作用增强了太阳能甲烷的生物重整过程

《National Science Review》：Plasmon-driven synergy of hot electrons and oxygen vacancies enhances solar methane bi-reforming

　　

摘要

基于太阳能的甲烷双重整（BRM）技术为同时将温室气体CH₄和CO₂转化为合成气提供了一条有吸引力的途径，但其实际应用仍受到反应动力学缓慢、催化剂失活以及太阳能转化效率低等因素的制约。本文报道了一种利用等离子体效应实现热电子与氧空位协同作用的方法，从而显著提升了甲烷双重整的效率与稳定性。所研发的NiCo-La/CeO₂催化剂在实验条件下实现了前所未有的合成气生产速率：H₂为240.31 mmol g_cat^?1 min^?1，CO为119.40 mmol g_cat^?1 min^?1，同时具备38.23%的太阳能转化效率，并且在连续运行500小时后性能未见明显下降。实验中还获得了接近化学计量的H₂/CO比（2.01）以及62.93%的CO₂转化率，这些结果均超过了相同条件下的热力学平衡限制。从机制上看，局部表面等离子体共振产生了热电子，改变了甲烷的活化路径，从传统的*CH → *C反应转变为*CH + *OH → *CHOH → *CHO中间体反应。与此同时，等离子体激发推动了氧空位的氧化还原循环，促进了CO₂/H₂O的活化过程并抑制了碳的积累。这种热电子与氧空位之间的协同效应为太阳能甲烷重整及其他碳基原料转化过程提供了一种具有普遍适用性的策略。

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