催化学报 ›› 2026, Vol. 83: 351-362.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64922-9

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不对称双位点Bi-In氧桥用于高效光热催化二氧化碳甲烷化

郑芒a, 李琪a, 刘倩茜b, 谷慧泉b, 刘明阳a, 刘琦a,*(), 蒋保江a,b,*()   

  1. a哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院, 超轻材料与表面技术教育部重点实验室, 黑龙江哈尔滨 150001
    b黑龙江大学化学与材料科学学院, 功能无机材料化学教育部重点实验室, 黑龙江哈尔滨 150080
  • 收稿日期:2025-08-06 接受日期:2025-10-11 出版日期:2026-04-18 发布日期:2026-03-04
  • 通讯作者: * 电子信箱: qiliu@hrbeu.edu.cn (刘琦), jbj@hlju.edu.cn (蒋保江).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(U24A20550);国家自然科学基金(52273264);黑龙江省自然科学基金重点项目(ZD2024B001)

Asymmetric oxygen-bridged Bi-In dual sites for efficient photothermal CO2 methanation

Mang Zhenga, Qi Lia, Qianxi Liub, Huiquan Gub, Mingyang Liua, Qi Liua,*(), Baojiang Jianga,b,*()   

  1. aKey Laboratory of Superlight Materials and Surface Technology, Ministry of Education, College of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China
    bKey Laboratory of Functional Inorganic Material Chemistry, Ministry of Education of the People's Republic of China, School of Chemistry and Materials Science, Heilongjiang University, Harbin 150080, Heilongjiang, China
  • Received:2025-08-06 Accepted:2025-10-11 Online:2026-04-18 Published:2026-03-04
  • Contact: * E-mail: qiliu@hrbeu.edu.cn (Q. Liu), jbj@hlju.edu.cn (B. Jiang).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(U24A20550);National Natural Science Foundation of China(52273264);Key Project of the Heilongjiang Provincial Natural Science Foundation(ZD2024B001)

摘要:

利用太阳能将二氧化碳(CO2)光催化转化为高附加值化学品, 被认为是解决环境问题和能源危机的有效策略之一, 为可持续发展提供了巨大潜力. 其中, CO2的甲烷化因其在能源存储和工业原料方面的双重用途而备受关注. 然而, 以水(H2O)为质子源, 将CO2光催化还原为甲烷(CH4)的效率较低, 这主要是由于该过程涉及C=O键活化和H2O分解过程的固有热力学限制. 光热协同催化策略通过降低反应活化能垒在一定程度上提升了CO2的转化效率, 但同时实现高CH4产率和选择性仍然面临挑战. 这主要源于CO2还原和析氢反应(HER)之间的竞争, 以及反应中间体在催化剂表面的弱吸附. 因此, 在光热CO2甲烷化中, 开发能够有效抑制HER并调控反应中间体的催化剂是实现高CH4产率和选择性的关键.
本研究通过将Bi原子精准锚定于In2O3晶格, 构建了结构明确的氧桥联不对称双金属位点(In-O-Bi). 该结构充分利用p区元素固有的弱质子吸附特性, 有效抑制了竞争性HER, 为实现高效的光热催化CO2甲烷化过程奠定了材料基础. In-O-Bi位点的成功构建得到了多种结构表征的协同验证: X射线衍射结果证实了Bi3+对In2O3晶格的掺入; 高分辨透射电镜从实空间证明了Bi的原子级分散; X射线光电子能谱分析则通过In 3d谱图中特征峰的结合能位移揭示了Bi与In之间的电子相互作用; 而扩展X-射线吸收精细结构分析最终从原子局域结构上确认了In-O-Bi单元的存在. 在CO2和H2O的混合气氛中, Bi/In2O3催化剂表现出卓越性能, 甲烷产率达到214.1 μmol·g-1, 选择性高达96.7%. 其高性能源于多种机制的协同, 一方面, Bi与In之间的p轨道杂化有效抑制了HER并削弱了*H中间体的表面吸附; 另一方面, 独特的In-O-Bi桥联构型诱导产生显著的电子离域效应, 促使高活性催化中心的形成. 在该结构中, Bi位点表现出与CO2分子的强相互作用及电子供给能力, 而In位点则具有较低的水分子解离能垒. 此外, In-O-Bi结构的形成增强了催化剂对CO2和H2O的吸附能力, 其电子离域效应也促进了对关键CHO物种的吸附稳定与电子转移过程, 从而显著降低整个反应路径的能垒, 最终实现高效、高选择性的CO2至CH4转化.
综上, 本文通过构建In-O-Bi桥联结构, 利用p区金属间的协同作用有效抑制了竞争性HER反应, 并通过p轨道杂化诱导的电子离域效应, 成功实现了CO2向高附加值甲烷的高效转化. 该发现为设计高性能光热催化剂提供了重要见解, 凸显了氧桥联不对称双金属单元在推动CO2甲烷化及可持续能源技术发展方面的巨大潜力.

关键词: 光热催化, 二氧化碳甲烷化, 轨道杂化, 电子离域化, In-O-Bi桥位点

Abstract:

Photothermal coupling catalytic CO2/H2O to CH4 is recognized as an effective strategy for addressing environmental concerns and energy crisis. However, hydrogen evolution reaction (HER) competition and weak intermediate adsorption limiting CH4 selectivity and yield during the reaction process. Herein, we incorporate Bi into the In2O3 lattice to create an oxygen-bridged asymmetric bimetallic In-O-Bi (In-O-Bi bridge) sites. The optimized Bi/In2O3 catalyst achieves CH4 yield of 214.1 μmol·g-1 with 96.7% selectivity. The exceptional catalytic activity of Bi/In2O3 stems from two key synergistic effects: (1) the cooperative interaction between Bi and In as p-block metals effectively suppress the competing HER, and (2) the unique In-O-Bi bridge configuration induces significant electron delocalization through p-orbital hybridization. This electronic modulation creates highly active catalytic centers, with In sites preferentially facilitating H2O dissociation while Bi sites selectively promote CO2 reduction. Moreover, the electron delocalization effect in the In-O-Bi bridge sites enhances the adsorption and electron transfer capabilities of the Bi/In2O3 surface for key CHO species, and reduces the energy barrier, thereby enabling efficient CH4 production. These findings provide crucial insights into the design of photothermal catalysts, highlighting the transformative potential of oxygen-bridged asymmetric bimetallic units in efficient CO2 methanation and sustainable energy technologies.

Key words: Photothermal catalysis, CO2 methanation, Orbital hybridization, Electron delocalization, In-O-Bi bridge sites