【解读】燃料化学学报：Pt助剂的尺寸调控及其对光催化CO2制CH4性能的影响

《燃料化学学报（中英文）》近期接收了中国科学院山西煤炭化学研究所覃勇研究员团队的文章“Pt助剂的尺寸调控及其对光催化CO ₂ 制CH ₄ 性能的影响”。

研究背景

光催化CO ₂ 还原是利用太阳能作为驱动力，水作为氢源，在温和条件下实现CO ₂ 转化，从而构建人工碳循环，助力“双碳”目标的实现。在CO ₂ 光催化还原产物中（CH ₄ ，CO阿，CH ₃ OH等），CH ₄ 是一种重要的化工原料，可直接用于制造化学产品（乙炔，甲醛等），并具有能量密度高，清洁燃烧特性等优势，因此，将CO ₂ 光催化转化为CH ₄ 具有重要意义。

文章创新点

铂是光催化CO ₂ 还原制CH ₄ 最有效的助催化剂之一，但仍面临CO ₂ 还原速率和CH ₄ 选择性低的难题。本研究利用原子层沉积（ALD）合成了Pt助剂尺寸可控（0.55-1.80 nm）的Pt/TiO ₂ 催化剂，光催化CO ₂ 还原反应的活性和选择性显著依赖于Pt助剂的尺寸，Pt颗粒尺寸为1.35 nm时，催化剂的甲烷收率最高（71.9 m mol/(g ∙ h )）且没有检测到H ₂ 的生成，CH ₄ 的选择性为81.69%。

主要研究过程及结论

通过透射电镜对 x Pt/TiO ₂ （ x =1，5，10，15）催化剂的形貌和微观结构进行表征，结果如图1（a−d）所示。可清楚地观察到所有 x Pt/TiO ₂ 催化剂中Pt NPs都均匀地分布于TiO ₂ 纳米颗粒表面，具有良好的分散性与尺寸均一性。并且，Pt NPs的尺寸可通过改变Pt ALD循环数精确调控。通过对TEM图中Pt NPs进行粒径统计分析（图1a-1d），发现当Pt ALD循环数为1、5、10、15时，Pt NPs的平均粒径分别为0.55、0.90、1.35和1.80 nm，这有利于研究Pt助催化剂的尺寸效应，优化CO ₂ 光还原性能。

本研究中所有催化剂光催化还原CO ₂ 性能测试是以气-固界面反应模式进行。从图中可以看出， Pt/TiO ₂ 催化CO ₂ 还原速率和CH ₄ 选择性随Pt颗粒尺寸增加呈现出先增加后降低的火山型趋势，其中，Pt颗粒尺寸为1.35 nm时，催化剂的甲烷收率最高（71.9 m mol/(g ∙ h ) ）且没有检测到 H ₂ 的生成，烷烃产物（CH ₄ ，C ₂ H ₆ ，C ₃ H ₈ ）选择性为100%， 其中CH ₄ 的电子选择性和碳基产物中选择性分别高达81.69%和90.20%。