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Reinforcing the Efficiency of Photothermal Catalytic CO2 Methanation through Integration of Ru Nanoparticles with Photothermal MnCo2O4 Nanosheets

甲烷化 光热治疗 材料科学 催化作用 光热效应 纳米颗粒 辐照 光化学 吸附 化学工程 纳米技术 化学 物理化学 有机化学 工程类 物理 核物理学
作者
Chan Guo,Yunxiang Tang,Zhengyi Yang,Tingting Zhao,Jiurong Liu,Yufei Zhao,Fenglong Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (23): 23761-23771 被引量:108
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c07630
摘要

Carbon dioxide (CO2) hydrogenation to methane (CH4) is regarded as a promising approach for CO2 utilization, whereas achieving desirable conversion efficiency under mild conditions remains a significant challenge. Herein, we have identified ultrasmall Ru nanoparticles (∼2.5 nm) anchored on MnCo2O4 nanosheets as prospective photothermal catalysts for CO2 methanation at ambient pressure with light irradiation. Our findings revealed that MnCo2O4 nanosheets exhibit dual functionality as photothermal substrates for localized temperature enhancement and photocatalysts for electron donation. As such, the optimized Ru/MnCo2O4-2 gave a high CH4 production rate of 66.3 mmol gcat-1 h-1 (corresponding to 5.1 mol gRu-1 h-1) with 96% CH4 selectivity at 230 °C under ambient pressure and light irradiation (420-780 nm, 1.25 W cm-2), outperforming most reported plasmonic metal-based catalysts. The mechanisms behind the intriguing photothermal catalytic performance improvement were substantiated through a comprehensive investigation involving experimental characterizations, numerical simulations and density functional theory (DFT) calculations, which unveiled the synergistic effects of enhanced charge separation efficiency, improved reaction kinetics, facilitated reactant adsorption/activation and accelerated intermediate conversion under light irradiation over Ru/MnCo2O4. A comparison study showed that, with identical external input energy during the reaction, Ru/MnCo2O4-2 had a much higher catalytic efficiency compared to Ru/TiO2 and Ru/Al2O3. This study underscores the pivotal role played by photothermal supports and is believed to engender a heightened interest in plasmonic metal nanoparticles anchored on photothermal substrates for CO2 methanation under mild conditions.
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