Asymmetric Interaction between Carbon and Ni-Cluster in Ni–C–In Photothermal Catalysts for Point-Concentrated Solar-Driven CO2 Reverse Water–Gas Shift Reaction

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作者
Shengpeng Mo,Shuangde Li,Jiangjing Zhou,Xin Zhao,Huimin Zhao,Xiaobin Zhou,Yinming Fan,Zongqiang Zhu,Bing Li,Qinglin Xie,Wenzhe Si,Yunfa Chen,Daiqi Ye,Junhua Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (4): 2796-2808 被引量:28
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c05916
摘要

A concentrated solar reaction device has been designed for the solar-driven photothermal CO2 reverse water–gas shift reaction, in which solar-to-chemical conversion efficiency would be up to 26% via a concentrated solar panel. Meanwhile, a special photothermal Ni–C–In catalyst (Ni/C–In2O3) with interstitial C, the In3Ni2 intermetallic compound, and disordered Ni clusters has been synthesized. As a result, the SO2-tolerant Ni/C–In2O3 catalyst exhibits an outstanding solar-driven photothermal catalytic performance (near thermodynamic limitation) with 100% CO selectivity and a 20.96 mmol gcat–1 h–1 CO production rate for solar-driven CO2 hydrogenation under concentrated solar irradiation (around 1521.9 mW/cm2) even sunlight without external heating. The incorporation of interstitial C and exposed Ni clusters in the Ni–C–In intermetallic catalyst could strengthen intensive solar light absorption. Moreover, quasi in situ XPS and DFT theoretical calculation results validate that asymmetric interaction between interstitial C and the Ni-cluster not only effectually regulates the electronic structure of the Ni–C–In intermetallic catalyst but also greatly optimizes the activation of H2 and CO2 molecules and the energy barriers of key reaction dynamics (HCOO* formation and dehydrogenation) in the RWGS reaction. Accordingly, this study provides a promising strategy for the electronic structure modification of photothermal functional catalysts with C modification to boost CO2 hydrogenation, putting forward an important step toward practical solar-to-fuel production with concentrated natural sunlight.
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