Artificial photosynthetic system for diluted CO2 reduction in gas-solid phase

光合作用 还原(数学) 气相 人工光合作用 相(物质) 化学 计算机科学 生物化学 数学 几何学 光催化 物理化学 催化作用 有机化学
作者
Ya Wang,Jianxin Wei,Hong‐Liang Tang,Luhua Shao,Long‐Zhang Dong,Xiao-Yu Chu,Yanxia Jiang,Guiling Zhang,Fengming Zhang,Ya‐Qian Lan
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:22
标识
DOI:10.1038/s41467-024-53066-y
摘要

Rational design of robust photocatalytic systems to direct capture and in-situ convert diluted CO2 from flue gas is a promising but challenging way to achieve carbon neutrality. Here, we report a new type of host-guest photocatalysts by integrating CO2-enriching ionic liquids and photoactive metal-organic frameworks PCN-250-Fe2M (M = Fe, Co, Ni, Zn, Mn) for artificial photosynthetic diluted CO2 reduction in gas-solid phase. As a result, [Emim]BF4(39.3 wt%)@PCN-250-Fe2Co exhibits a record high CO2-to-CO reduction rate of 313.34 μmol g−1 h−1 under pure CO2 atmosphere and 153.42 μmol g−1 h−1 under diluted CO2 (15%) with about 100% selectivity. In scaled-up experiments with 1.0 g catalyst and natural sunlight irradiation, the concentration of pure and diluted CO2 (15%) could be significantly decreased to below 85% and 10%, respectively, indicating its industrial application potential. Further experiments and theoretical calculations reveal that ionic liquids not only benefit CO2 enrichment, but also form synergistic effect with Co2+ sites in PCN-250-Fe2Co, resulting in a significant reduction in Gibbs energy barrier during the rate-determining step of CO2-to-CO conversion. Artificial photosynthetic diluted CO2 reduction from fuel gas is promising but challenging for carbon neutrality. Here, the authors report a host-guest system by integrating CO2-enriching ionic liquids and photoactive metal-organic frameworks, greatly enhancing CO2-to-CO conversion efficiency.
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