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今天分享一篇由香港中文大學（深圳）王璐教授，天津大學胡智鑫教授和多倫多大學Geoffrey Ozin教授三方合作發(fā)表在Nature Communications（https://doi.org/10.1038/s41467-020-16336-z）的文章，題為“Black indium oxide a photothermal CO2 hydrogenation catalyst”。該文章的第一作者和共同第一作者分別為王璐教授和董玉嬋博士，通訊作者為王璐教授，胡智鑫教授和Geoffrey Ozin教授?；?/span>Ozin教授之前對氧化銦基材料的研究基礎上，王璐教授先后以博士后和教授的身份先后與Ozin教授合作，對不同的氧化銦基催化材料進行了一系列的系統(tǒng)性研究，并發(fā)表在Joule、Nat Com和Angew等國際學術期刊。
研究背景
氧化銦是一種被深入研究的寬帶隙半導體材料，并被廣泛的應用于導電玻璃等光電器件中。近年來，氧化銦也開始被應用在光催化和熱催化CO2加氫制備CO、甲醇和多碳燃料等領域。然而由于其本征顏色為淺黃色，對太陽光的吸收較差，導致其催化性能受限。光熱催化CO2加氫被普遍認為是一種更加便捷、安全和環(huán)保的催化模式，氧化銦作為一種同時可以進行光催化和熱催化的催化材料，具有其他傳統(tǒng)熱催化材料或者光催化材料所不具備的優(yōu)勢，有潛力將光催化CO2加氫的催化性能推向新的高度。
結合之前對氧化銦基催化材料的研究積累，該研究提出了通過高溫氫氣處理的簡易方法，將淺黃色的氧化銦納米顆粒轉化為具有潛在局部晶格擴張的黑色的氧化銦納米顆粒，并發(fā)現該黑色氧化銦可以用作光熱催化材料進行CO2加氫反應制備CO和甲醇。由于該制備方法簡單快捷，該方法有潛力應用于大規(guī)模制備黑色氧化銦。
成果簡介
作者首先采用溶劑熱法首先合成出前驅物In(OH)3，然后通過高溫煅燒（700度）得到淺黃色氧化銦（In2O3），最后在氫氣氣氛下煅燒（400度）1小時得到黑色氧化銦（In2O3-x/In2O3）。該方法也可以直接使用商業(yè)In2O3通過氫氣處理得到黑色氧化銦，合成量可輕易達到克級。作者通過HRTEM、XRD、XPS、BET、原位XAS、原位環(huán)境電鏡等表征技術研究了黑色氧化銦的形成機理，并發(fā)現由于表面氧原子缺失，導致氧化銦表面局部晶體無定型化（In2O3-x）并最終導致了黑色氧化銦（In2O3-x/In2O3）的形成，在高分辨電鏡和DFT理論計算的幫助下，作者進一步發(fā)現了由無定型化導致的可能存在的局部晶格擴張。
在光熱催化性能方面（非流動相），黑色氧化銦催化制備CO的速率可以達到1874.62 μmol h-1m-2，是未處理的淺黃色氧化銦的2400倍以上（0.78 μmol h-1m-2），其TOF經計算可達到2.44 s-1，高于絕大多數光熱催化材料和光催化材料。在光輔助熱催化（有外部加熱）性能方面（流動相），該黑色氧化銦同樣具有卓越的催化性能。在有光的條件下其甲醇性能在275度可以達到1.48 μmol h-1m-2（暗條件下，200-300度無甲醇生成），從側面證明了其光催化的可能性；CO性能在300度有光的條件下可以達到161 μmol h-1m-2，其光增幅高達400%，遠高于前期所研究的不同氧化銦基的光增幅。在長達70小時的穩(wěn)定性測試中，該催化材料同樣顯示出了良好的穩(wěn)定性。
作者最后還通過原位紅外、原位光電流、DFT、UPS、Raman和NMR等表征技術研究了黑色氧化銦的催化機理和表面化學，發(fā)現了該材料的超長光電壽命、可以在室溫下以均裂的方式活化H2分子和CO2加氫的中間物種。
小結
綜上所述，該工作系統(tǒng)性的研究了黑色氧化銦的形成機理并研究了其表面化學和催化機理，揭示了其卓越的催化性能和潛在的光熱催化與光化學催化的協同催化模式，為未來光熱CO2加氫提供了新的研究思路。
來源：研之成理
