原位同步辐射研究钴基超薄材料二氧化碳加氢催化反应机理

Catalytic reduction of carbon dioxide (CO2) to value-added fuels and chemicals such as methane and methanol not only reduces the CO2 emissions, but also offers one of the most promising routes to generate clean and renewable energy. As excellent catalysts for CO2 hydrogenation, cobalt-based ultrathin nanocatalysts attract wide attentions around the world. However, the fundamental understanding of the intrinsic catalytic pathways, such as the adsorption and activation of reactants and the reconstruction of active center, remains unclear. Based on the near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS)、the synchrotron radiation photoemission spectroscopy (SRPES) and in-situ reaction equipment at photoemission end-station in the National Synchrotron Radiation Laboratory (NSRL) in Hefei, this project aims to decipher the catalytic principle and acquire the key rate determining factor of cobalt-based ultrathin nanocatalysts for CO2 hydrogenation in atomic levels, by in-situ investigating the adsorption and activation of reactants and probing the evolution of valence state and coordination environment of metal elements in nanocatalysts during CO2 hydrogenation. This studies could provide fundamental guidance for the rational design and synthesis of highly efficient Co-based nanocatalysts for CO2 hydrogenation.

二氧化碳（CO2）催化加氢合成甲醇、甲烷等高附加值燃料是解决CO2过度排放，并提供洁净可再生能源的最具吸引力的途径之一。Co基超薄材料作为优异的CO2加氢催化剂而受到广泛的研究兴趣和关注。然而，对于Co基超薄材料在CO2催化加氢过程中的表面分子吸附活化、活性中心结构重构等催化本质仍缺乏清晰认知。本项目拟基于合肥光源光电子能谱线站发展同步辐射软X射线吸收谱（NEXAFS）与同步辐射光电子能谱（SRPES）联用技术、并结合高温高压原位反应装置，针对Co基超薄材料CO2加氢催化反应，实时在线观察催化剂表面反应物分子（CO2、H2等）吸脱附的状态，以及Co基催化剂活性中心的原子和电子结构的演化规律，从原子和分子尺度阐明催化反应机理及活性位结构，获得CO2加氢反应的关键调控因素。并以此为指导，设计合成新型高效的Co基CO2加氢纳米催化材料。

将二氧化碳（CO2）、氮气（N2）等小分子转化成燃料或附加值更高的化学品，是缓解能源危机最具吸引力的途径之一。其中，Co基超薄材料作为优异的CO2加氢催化剂而受到广泛的研究兴趣和关注。然而，对于Co基超薄材料在CO2加氢过程中的表面分子吸附活化、活性中心结构重构等催化本质仍缺乏清晰认知。本项目基于合肥光源光电子能谱线站发展了原位同步辐射软X射线吸收谱（sXAS）与同步辐射光电子能谱（SRPES）联用技术，可实现光照、气氛和加热的环境模拟，并在线观察催化剂表面反应物分子吸脱附的状态，以及催化剂活性中心的原子和电子结构的演化行为。利用以上谱学技术，揭示了活性位点配位结构、载体效应和等离基元效应调控光生/热电子转移的内在规律，明确了协同位点、双金属位点、高密度晶界等对小分子的活化作用，观测了催化过程中原位氧空位的生成、活性中心的轨道取向和亚稳态材料的结构演变，综合分析了金属活性中心与二维衬底材料间的强相互作用、非金属掺杂和氧空位等对表面结构的调控机理。从原子和分子尺度阐明催化微观反应机制，获得催化反应活性的关键调控因素，从而为高效催化剂的设计提供理论指导。