变废为宝!南昌航空大学/中蓝长化合作首篇Science子刊 | 光热催化高效甲烷化!

近年来，大气中二氧化碳浓度持续攀升，2024年已达426 ppm，年净排放量超过44亿吨，对全球气候与人类健康构成严峻威胁。实现碳中和已成为人类生存发展的迫切需求。

传统的二氧化碳甲烷化反应（Sabatier反应）需在高温高压下进行，能耗高且可能伴随二次排放；光催化还原则受限于光吸收弱、自腐蚀和产率低等问题。光热催化结合了光催化的温和条件与热催化的高效性，成为更具实用潜力的二氧化碳转化途径。

然而，现有光热催化剂仍面临电子转移效率低、中间体吸附调控不精准、关键加氢步骤能垒高等挑战，制约了其催化活性与甲烷选择性。因此，设计具有适宜中间体吸附能力和强活化能力的活性位点，是实现二氧化碳高选择性转化为甲烷的关键。

图1 所制备催化剂的结构与形貌表征

南昌航空大学代威力教授、中蓝长化工程科技有限公司孙成高团队研究者成功在空心硅酸镍纳米管（NNSO）表面构建了锰单原子位点，制备了光热催化剂1.0%Mn/NNSO。该催化剂中锰单原子的引入诱导了显著的自旋极化效应，从而产生内建电场，驱动光热电子从镍纳米颗粒向锰位点定向转移。

这一方面提升了锰位点的电子密度和二氧化碳吸附能力，另一方面促进了活性氢从镍位点向锰位点的快速溢流。锰单原子作为新的活性中心，增强了对关键中间体*CO的吸附，抑制了副产物CO的生成，并降低了后续加氢步骤的能垒，改变了反应路径。

最终，该催化剂在纯光照（无额外热源）下实现了高效的二氧化碳甲烷化，甲烷生成速率高达195.7 mmol g⁻¹ h⁻¹，选择性接近100%，其催化活性相较于未负载锰的NNSO提升了约140倍。该研究首次利用自旋极化效应实现了高效的光热二氧化碳甲烷化。

图2 自旋极化与氢溢流效应

该项工作通过浸渍法在空心NNSO纳米管上成功构建了锰单原子。锰的引入增加了自旋向下态密度，破坏了态密度对称性，从而产生自旋极化效应，并引发磁滞回线与剩磁现象。在自旋极化作用下，光热电子定向转移至带正电的锰单原子位点，为高效还原二氧化碳提供了必要条件。同时，锰单原子作为吸附和活化二氧化碳的新活性位点，为高选择性生成甲烷奠定了结构基础。

此外，原位形成的镍纳米颗粒促进了大量活性氢向锰位点溢流，而锰单原子对中间体CO的强吸附是抑制CO释放的关键。在自旋极化效应的影响下，速率决定步骤（CHO转化为*CH₂O）的能垒显著降低。

最终，催化剂1.0%Mn/NNSO实现了二氧化碳高效、高选择性的甲烷化，其光热催化活性是NNSO的140倍。该研究为未来催化剂设计提供了重要参考，并为实现高效、选择性的二氧化碳甲烷化提供了理论支撑。

Yong Xu et al., Janus Mn single atoms for triggering efficient photothermal catalytic CO2 methanation through spin polarization effect. Sci. Adv.12, eadz7504(2026). DOI:10.1126/sciadv.adz7504

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