Nature子刊：外延生长硅基单原子催化剂应用于可见光驱动合成气制备

提高活性中心的分散性和光子的有效捕获是光催化研究的重点。晶体硅在地球上储量丰富，并且带隙合适，但硅基光催化剂与金属元素的结合由于硅的刚性晶体结构和高的生成能量而具有挑战性。

近日，中山大学杨振宇和苏成勇等采用固相合成法制备了Co含量在0.4 wt%~3.4 wt%之间可调的硅基复合材料，并用多孔SiO₂作为催化剂载体(Co@Si SAC)。

具体而言，研究人员以CoSi₂结构域为模板，通过原子外延促进金刚石结构晶体Si(c-Si)的原位生长；在高温下CoSi₂结构域分解期间Co原子能够掺入c-Si晶格，聚集可以忽略不计。

实验结果表明，在光催化CO₂RR过程中，含有0.5 wt%Co的Co@Si光催化剂上CO和H₂的产率分别为4.72 mol g_Co⁻¹和4.43 mol g_Co⁻¹，分别比商业Co和Co₃O₄高10³-10⁴倍以上。在不加光敏剂的条件下，与无Co催化剂相比，Co@Si NC(即不含SiO₂载体)也表现出明显的光催化活性，表明Co@Si光催化行为来源于掺Co的Si核。

此外，具有3.4 wt%Co的Co@Si催化剂表现出约1 0 mmol g⁻¹的CO转化率，这可归因于其相对较高的CO负载；照射6小时后，CO生成速率急剧下降，这可能是由于光敏剂在连续可见光照射下的分解。

基于实验结果，研究人员得出催化剂上的合成气反应过程：第一步，CO₂气体被SiO₂的多孔结构捕获并转化为吸收态(CO₂*)；其次，在可见光照射下，光敏剂[Ru(bpy)₃]²⁺被促进到激发态([Ru (bpy)₃]²⁺*)；随后，光生电子被转移到Co@Si结构域，并且空穴被TEOA淬灭使得[Ru(bpy)₃]²⁺再生；同时，CO₂*分别从CO@Si和溶液中捕获电子和质子，随后转化为形成COOH*中间体并最终形成CO，相当数量的质子最终在无钴的c-Si面上还原以产生H₂。

Epitaxially Grown Silicon-based Single-atom Catalyst for Visible-light-driven Syngas Production. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-37401-3

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Nature子刊：外延生长硅基单原子催化剂应用于可见光驱动合成气制备

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