| 二氧化碳甲烷化的研究顺应绿色工业的发展理念，符合国家的发展战略。该项目旨在研究等离子体激元驱动的光电化学二氧化碳甲烷化。大量燃烧化石燃料产生的二氧化碳等温室气体对环境造成了巨大负担。从二氧化碳废气中有效地捕获碳并将其循环到燃料中可以实现碳中和能源循环。通常，二氧化碳和氢气的甲烷化需要高温高压的萨巴蒂埃反应:(Sabatier)。然而，这些高能耗的过程不仅耗费能源，且会导致高成本，使得该途径不可行。在铜电极上可以实现二氧化碳的电化学甲烷化，但是产物选择性很差。本项目提出使用等离子体局部产热来激活电化学过程中二氧化碳的甲烷化。我们设计了一个二氧化碳光电化学甲烷化的纳米结构复合电极系统。该电极整合利用两种电催化剂，一种化剂用于将二氧化碳还原为一氧化碳，另一种电催化剂将水还原为氢气，由两种催化剂界面的等离子体“热点”为两个反应的产物提供进一步化学反应的能量，最终高选择性的形成甲烷。这项研究过程中将通过模拟计算、电极材料选择、纳米结构尺寸形貌控制、调节极光学响应设计合适的等离子极。完成等离子体电极制备后,将研究它们的等离子体、结构和电化学性质,并进行产品分析。成功的话，这一概念将提供一种在绿色工业经济中回收二氧化碳的新方法。
本研究成功制备了Pt@Ag双金属纳米环电极，并对其进行了详细的结构和性能表征。通过对样品表面进行光学和电化学分析，发现Pt@Ag双金属纳米环电极具有优良的光吸收性能，特别是在400和450 nm波长处的局域等离子激元吸收峰。同时，这种电极在CO2还原方面展现出了出色的性能，特别是在光照条件下，等离子体激Pt@Ag双金属纳米环电极在光照下能将CO2还原成CH4，尽管已知Pt和Ag在反应过程都不产生CH4，如Pt只在HER竞争反应中产生H2，Ag只还原产生CO。综上所述由局域等离子激元产生的热能反应增强了其催化效果，这些结果为进一步开发和优化此类双金属纳米电极提供了重要的基础。
原理：本课题研究了一种用于CO2光电化学甲烷化的等离子体活化复合电极体系。该体系的核心为纳米结构复合电极，该电极整合利用：（1）一种可有效地选择性地将CO2电化学还原为CO的催化剂，（2）一种氢气生成反应（HER）的催化剂和可调等离子体能量活性电极。我们对材料和结构进行了合理地设计，前驱体定位在等离子体热点上。利用Comsol软件进行时域有限差分（FDTD）模拟，对结构进行相应的调整，并模拟热等离子体效应。该电极的等离子体激元活性将与光谱模拟进行比较。在实验中，电化学电池连接（1）可选波长的光源以激发表面等离子体激元（2）气相色谱（GC）或气相色谱－质谱系统。目前已经实现了在光照条件下，等离子体激Pt@Ag双金属纳米环电极在光照下能将CO2还原成CH4。
项目解决的关键技术：中方项目团队进行了对等离子材料的基本性能和应用的研究。这些研究表明，在半导体材料表面复合具有等离子体效应的金属颗粒后，等离子体场增强效应有助于半导体材料对光的吸收能力。通过结构调控金属粒子，可以减小其对半导体光吸收的影响。这一发现为太阳能电池和光电催化水分解等器件性能的提升提供了潜在的解决方案。另一方面，澳大利亚项目团队研究了多孔金属膜作为透明电极的应用。他们的研究表明，通过优化多孔金属膜的透光率和薄膜电阻，可以尽可能减小等离子体激发引起的光吸收。这为探索透明电极在等离子体增强效应方面的应用提供了新的途径。基于这些研究成果，本项目有目的性地利用等离子体衰减时释放的能量。将等离子体激元的激发导致金
属纳米结构内部快速热化产生的局部热点与两个相邻的电催化材料结合，从而使材料将水分解生成H2和将溶解在电解质溶液中的CO2电还原成CO。然后将热量，CO及其中间反应产物和H2及其中间反应产物组成类似Sabatier反应，即：由H2和CO形成CH4。不需要在高温，高压等耗能的环境下进行，这是本项目的创新点。该项目提供了一种将二氧化碳转化为碳氢化合物燃料的新方法，并在环境温度和压力下获得更高的选择性。通过实验证明了这一过程的可行性。该系统采用贵金属作为材料，因此具有良好的稳定性和化学耐受性。一旦进行了一次性的制造投资，后期的维护和运营成本将非常低。
项目的特色和创新突破点：1.主要创新是使用局部等离子体加热的概念，使萨巴蒂尔反应在室温和常压下进行。热能可以由阳光提供，不需要产生成本高昂的高温和高压；2.该系统使用材料为贵金属，具有良好的稳定性和化学耐受力；3.一次性制造成本后，维护和操作成本低。 |
