近年來，通過太陽輻照來獲得有用的化學物質(zhì)以應(yīng)對溫室效應(yīng)引起了人們的極大興趣。與無機金屬氧化物顆粒相比，石墨烯等碳質(zhì)材料的吸光性優(yōu)異；然而，由于難以控制帶隙和優(yōu)化驅(qū)動光還原過程的電子-空穴分離，它們?nèi)狈钚院瓦x擇性。在這項工作中，受精細的天然植物葉片結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，我們制造了有序堆疊的石墨烯納米氣泡陣列，其中含有氮摻雜劑，用于配位貴金屬原子，以模擬植物葉片中的自然光還原過程。這種石墨烯超材料不僅模仿葉細胞的光學結(jié)構(gòu)，有效地散射和吸收光，而且像植物中的葉綠素一樣，通過氮配位的金屬原子驅(qū)動CO
2還原。表征表明，氮摻雜石墨烯的帶隙可以通過在摻雜位點上用不同的貴金屬原子取代來精確定制。貴原子配位在石墨烯超材料的摻雜位點上，不僅擴大了光吸收體積，而且最大限度地提高了貴金屬的利用率。與 Au 原子配位的仿生光學葉片超材料表現(xiàn)出高達 11.14 mmol g cat
–1 h
–1的高 CO 產(chǎn)率和 95% 的選擇性，是迄今為止報道的碳質(zhì)和金屬基催化劑中最好的催化劑之一。這種催化劑在低溫下也保持高性能，表明這種仿生催化劑在極地地區(qū)減少溫室氣體的潛在應(yīng)用。
Figure 1. (A) 植物葉片中的光吸收和由葉綠素分子誘導(dǎo)的光還原示意圖，其中金屬原子與氮配位。(B, C) 具有仿生巨型結(jié)構(gòu)的石墨烯納米氣泡可以像植物葉子一樣衍射和吸收光。吸收的光可以觸發(fā)氮配位金屬位點的光還原。(D) 貴金屬原子配位在石墨烯納米氣泡中的氮摻雜位點和可見光下CO
2的光還原。(E) 在低溫區(qū)域（如南極和北極）使用超材料的藍圖，這些區(qū)域就像植物一樣可以減少由太陽輻射驅(qū)動的CO
2 。
Figure 2. (A–C) 激光誘導(dǎo) NGNM 樣品的 SEM 圖像。NGNM 的層次結(jié)構(gòu)有利于光還原的光收集。(D-F) Au-NGNM 樣品的 TEM 圖像。可以觀察到跨越 Au-NGNM 主鏈的均勻石墨烯納米氣泡和孤立的 Au 原子。
Figure 3. (A) Au-NGNM 和 NGNM 的 PXRD 模式。(B) Au-NGNM 的 N
2吸收等溫線。(C) Au-NGNM 中 Au 4f 的 XPS 光譜。(D) 在 5 W 激光功率下獲得的 NGNM 拉曼光譜。
Figure 4. (A) Au L
3邊緣的歸一化 XANES 光譜。(B) EXAFS 光譜的 k3 加權(quán)傅里葉變換幅度。(C) R 空間中 Au L
3邊緣 EXAFS 光譜的傅里葉變換幅度。(D) k3 加權(quán)信號的 WT。
Figure 5. (A) NGNM 與不同貴金屬原子配位的紫外-可見吸收光譜。(B) 合成樣品的瞬態(tài)光電流響應(yīng)的比較。(C) 制備樣品的 EIS 奈奎斯特圖。(D) Au-NGNM 催化劑在光催化條件下的原位FTIR 光譜。從下到上以 5 分鐘的間隔記錄每個圖。
Figure 6. (A-C)在 M-NGNM 上將CO
2光催化還原為 CO。(D, E)金屬單原子負載量下M-NGNM上CO
2的光催化還原性能。(F) Au-NGNM 36 h循環(huán)光催化CO
2還原性能。
Figure 7. (A) 累積 CO
2產(chǎn)量和 (B) M-NGNM 在 -5 ℃的低溫下測量的選擇性。(C) Au-NGNM 超材料與其他由碳質(zhì)金屬和原子金屬制成的催化劑的性能比較。
Figure 8. (A) 光催化 CO
2還原的計算自由能。(B) Au-NGNM 的狀態(tài)密度。(C) 遵循反應(yīng)能量分布的物種配置。
相關(guān)研究工作普渡大學Gary J. Cheng和武漢大學Haoqing Jiang課題組于2022年在線發(fā)表于《ACS NANO》期刊上，原文：Bionic Optical Leaf for Photoreduction of CO2 from Noble Metal Atom Mediated Graphene Nanobubble Arrays。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
