论文奖励丨光热催化新突破！南京理工大学团队实现36.8%光能-燃料转化效率，为太阳能燃料制备开辟新路径

面对化石能源消耗带来的能源短缺与碳排放危机，如何利用太阳能将温室气体CO₂和CH4转化为高价值合成气，一直是能源领域的前沿课题。南京理工大学能源与动力工程学院李强课题组在这一方向取得重要突破——他们通过金属有机框架（MOF）衍生策略，成功开发出一种碳载镍钼（Ni-Mo）双金属光热催化剂（Ni_1.71Mo/C−Al₂O₃Ni_1.71Mo/C−Al₂O₃），在光热催化甲烷干重整（MDR）领域实现三重突破。

第一作者：郭珂 博士研究生

通讯作者：冯浩 教授 李强 教授

发表期刊：Chemical Engineering Journal

影响因子(IF): 13.2

实验方向：光热催化甲烷干重整

发表单位：南京理工大学，李强课题组

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165155

MC-PF300C

本文通过MOF衍生策略开发出碳载镍钼双金属催化剂（Ni₁.₇₁Mo/C-Al₂O₃），在光热催化甲烷干重整中创下36.8%光能-燃料转化效率和141.7 mmol·g⁻¹·min⁻¹ CO产率的双纪录，其核心突破在于：利用NiMo合金与Mo₂C的双活性位协同作用，通过Mo物种促进CO₂直接解离为*HCOO中间体（原位红外证实），规避传统碳酸盐积碳路径，使积碳率降低50%；同时催化剂在近红外区展现超80%的光热贡献，在452.9倍太阳光强下达到578℃反应温度，驱动热化学主导的甲烷干重整过程，为太阳能驱动的绿色合成气工厂提供工业化技术路径。

光热催化甲烷（CH₄）与二氧化碳（CO₂）重整是一种同时转化太阳能和温室气体的吸引人过程。然而，由于光热催化剂的全光谱光吸收能力和催化活性有限，实现高光能到燃料效率仍面临巨大挑战。本文报道了一种金属有机框架（MOF）衍生的碳负载镍钼（Ni-Mo）双金属催化剂，用于光热催化CH₄与CO₂重整。该光热催化剂展现出优异的全光谱响应能力。通过控制光谱范围和光强，我们发现该反应主要是光驱动的热化学反应，因此显著依赖于高效的光热转换。此外，原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）揭示，在镍基催化剂上引入相关钼物种促进了CO₂的分解，从而平衡了CH₄和CO₂的活化动力学并抑制了碳沉积。结果，在直接光照下，该催化剂实现了CO₂转化率61.2%、CO生产速率141.7 mmol g⁻¹ min⁻¹、氢碳比0.88以及高达36.8%的光能到燃料效率，这些指标均处于报道的最高水平之一。

通过多尺度表征技术揭示了Ni₁.₇₁Mo/C-Al₂O₃催化剂的四维结构优势：  

1. 形貌：SEM显示Mo掺杂促使催化剂由条状结构转变为花簇状（图2b），BET测得127.3 m²/g高比表面积与21.3 nm介孔结构（图2d）；  

2. 晶相：HR-TEM观测到0.176 nm（Ni(111)）与0.229 nm（Mo₂C(101)）晶格共存（图3a），XRD证实NiMo合金与Mo₂C双晶相（图3b）；  

3. 电子结构：XPS揭示Ni⁰结合能正移0.5 eV（852.6 eV），Moδ⁺峰面积增加，证实Ni→Mo电子转移（图3c-d）；  

研究评估了不同Ni/Mo摩尔比的NixMoy/C-Al₂O₃光热催化活性，发现引入Mo可提升产物生成速率、反应速率及转化效率，但Mo含量超过Ni时催化活性显著下降；其中Ni_1.71Mo/C-Al₂O₃表现最佳，产氢速率（122 mmol g⁻¹ min⁻¹）、产CO速率（141.7 mmol g⁻¹ min⁻¹）及光燃料效率（36.8%）均最优，而纯Al₂O₃几乎无活性，表明双金属NiMo基MOF衍生催化剂是活性来源。反应中H₂/CO摩尔比小于1主要由逆水煤气变换反应导致，NiMo双金属通过减少Ni活性位点匹配CH₄与CO₂活化速率，并利用MoOx晶格氧氧化沉积碳，从而降低积碳速率并优化H₂/CO比例。与文献报道的光热催化剂及NiMo基热催化剂相比，该催化剂在光燃料效率、产物生成速率及高空速下的甲烷转化性能上均表现优异，证明以MOF为模板制备高效光热催化剂用于甲烷光驱动干重整的可行性。