文献快讯：AM 钾配位锚定，稳定Ruδ+实现高效光热CO2制甲烷

【成果掠影 & 研究背景】

利用可再生能源将二氧化碳（CO2）加氢转化为甲烷（CH4），是实现“双碳”目标、生产替代化石燃料的可持续途径之一。光热催化能够直接利用全光谱太阳能驱动反应，为这一过程提供了绿色方案。在众多催化剂中，略微氧化的钌（Ruδ+）位点被认为是低温活化CO2的高效活性中心。然而，在富氢的反应气氛中，Ruδ+极易被还原为金属态Ru0，导致活性位点失活和性能衰减，这是制约其稳定性的关键瓶颈。

针对这一挑战，本文研究团队在《Advanced Materials》上报道了一种创新策略。他们通过钾（K）配位作用，将具有高Ru-O键强度的K2RuO3稳定在K2Ti6O13（KTO）纳米线上，成功构建了KTO-Ruδ+/Ru0催化剂。该催化剂中的K离子作为碱性促进剂，不仅增强了CO2吸附，还能稳定解离的氢物种，从而有效抑制了Ruδ+的还原。在光热催化CO2甲烷化反应中，该催化剂表现出卓越的活性，CH4产率高达526 ± 5.5 mmol gcat-1 h-1，选择性超过99.9%。更重要的是，研究团队将催化剂制备成超薄（约9.8 µm）的无机多孔纸，应用于流动反应器系统，在210,000 mL gcat-1 h-1的高空速下，实现了0.99 mol gcat-1 h-1的超高CH4产率，并展现出优异的循环稳定性。这项工作为设计稳定的氧化态贵金属光热催化剂提供了新视角。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

1. 独特的“钾配位”稳定策略

   首次提出并验证了利用KTO载体中的K离子与Ru物种形成K2RuO3相，通过强K配位作用，在富氢反应环境中有效锚定并稳定了高活性的Ruδ+氧化态，解决了其易被还原的关键难题。

2. 构建K2RuO3/Ru0异质结构

   催化剂中同时存在超小尺寸（2-4 nm）的K2RuO3纳米颗粒和少量金属Ru0，形成了独特的异质结构。Ruδ+作为路易斯酸位点降低了反应活化能，使CO2加氢更倾向于有利的甲酸盐路径，而非易产生积碳的CO路径。

3. 优异的全光谱吸收与光热性能

   得益于Ru物种的引入，催化剂在紫外-可见-近红外光区具有宽谱强吸收能力，在2.72 W cm-2照射下，表面温度可迅速升至312.6°C，为反应提供了充足的热能。

4. 协同促进CO2吸附与活化

   载体KTO和活性相K2RuO3中的K离子作为碱性位点，显著增强了催化剂对CO2的吸附能力。理论计算表明，CO2在K2RuO3表面的吸附能（-1.77 eV）远高于在普通RuO2表面（-0.72 eV），从而更有利于CO2分子的活化和转化。

5. 创新的多孔纸膜与流动反应器设计

   利用催化剂的一维纳米线结构，将其组装成柔性无机多孔纸。该设计应用于流通式反应器，创造了“体相”气-固-光三相界面，确保了反应气体、催化剂和光照之间的充分接触，从而在高速气流下仍能实现极高的催化产率。

Figure 1: KTO-Ruδ+/Ru0催化剂的形貌与结构表征。

Figure 2: KTO-Ruδ+/Ru0催化剂的表面化学态与局部结构分析（XPS, XANES, EXAFS）。

Figure 3: 催化剂的光热性能、催化活性及稳定性测试。

Figure 4: 反应机理研究：CO2吸附、原位红外光谱及理论计算。

Figure 5: 基于KTO-Ruδ+/Ru0多孔纸的流动反应器性能及户外太阳光驱动演示。

【总结 & 原文链接】

本研究成功开发了一种基于钾钛酸钾纳米线、通过钾配位稳定Ruδ+态的高性能光热催化材料（KTO-Ruδ+/Ru0）。该工作通过巧妙的材料设计，利用KTO载体与Ru物种间的强相互作用，构筑了稳定的K2RuO3相，不仅有效抑制了活性Ruδ+位点在反应中的还原，还协同增强了CO2的吸附与活化。催化剂在密闭批次和流动反应器中均展现出创纪录的光热CO2甲烷化活性和接近100%的CH4选择性，并具有出色的长期运行稳定性。此外，将催化剂制成超薄多孔纸并集成于流动反应系统的设计，为未来太阳能驱动CO2资源化利用的实际应用提供了可行的技术方案和器件原型。

原文链接: https://doi.org/10.1002/adma.202507515

声明：以上内容仅反映作者个人见解，鉴于作者学识所限，若存有不严谨之处，请后台留言指正！

热忱欢迎各位学术界同仁分享或提交关于光-热-电能源利用、表界面化学的相关资讯、研究成果及文章，携手共促领域的繁荣前行：grdn_connect@163.com (推广合作同号)