近年來(lái)，通過(guò)太陽(yáng)輻照來(lái)獲得有用的化學(xué)物質(zhì)以應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)引起了人們的極大興趣。與無(wú)機(jī)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(dòng)光還原過(guò)程的電子-空穴分離，它們?nèi)狈钚院瓦x擇性。在這項(xiàng)工作中，受精細(xì)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(guò)程。這種石墨烯超材料不僅模仿葉細(xì)胞的光學(xué)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(guò)氮配位的金屬原子驅(qū)動(dòng)CO
2還原。表征表明，氮摻雜石墨烯的帶隙可以通過(guò)在摻雜位點(diǎn)上用不同的貴金屬原子取代來(lái)精確定制。貴原子配位在石墨烯超材料的摻雜位點(diǎn)上，不僅擴(kuò)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(xué)葉片超材料表現(xiàn)出高達(dá) 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(bào)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(diǎn)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(diǎn)和可見(jiàn)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(lán)圖，這些區(qū)域就像植物一樣可以減少由太陽(yáng)輻射驅(qū)動(dòng)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(hào)的 WT。
Figure 5. (A) NGNM 與不同貴金屬原子配位的紫外-可見(jiàn)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(gè)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(fù)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(cè)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(jì)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(xué)Gary J. Cheng和武漢大學(xué)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(hào)
