easyXAFS用户速递：Joule！南京大学李朝升/闫世成/冯建勇团队提出载人深空探索中的氧回收策略

发布日期：2024-10-09

当前国际空间站采用Sabatier技术（CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O）从CO₂中回收O₂，然而CH₄的生成会造成H元素的净损失，使得该技术的理论氧回收率仅为50%，难以达到载人火星任务>75%的要求。为了应对这一难题，南京大学现代工程与应用科学学院的李朝升\闫世成\冯建勇团队提出了一种光化学Bosch策略，在光照条件下将CO₂/H₂混合气转化为碳纳米管（CNTs）和H₂O，并结合电解水工艺，使其理论氧回收率达100%。相关成果以“Photochemical CO₂ hydrogenation to carbon nanotubes and H₂O for oxygen recovery in space exploration”为题发表在Joule期刊上。

本文使用了美国easyXAFS公司研发的台式X射线吸收谱仪系统easyXAFS300+（如图1所示）对样品的局域配位环境和化学态信息进行了表征，获取了催化活性组分的关键信息。该设备无需同步辐射光源，可在常规实验室环境中实现X射线吸收精细结构谱XAFS和X射线发射谱XES的双通道测试，获得媲美同步辐射光源的高质量谱图，用于分析材料的元素价态、化学键和配位结构等信息。现已广泛应用于电池、催化、地质、环境、陶瓷、电磁波材料和核化学等研究领域。该设备已帮助国内外用户在J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Angew., Energy & Environmental Science, Adv. Mater.,等顶级期刊上发表大量优秀科研成果。

台式X射线吸收谱仪系统easyXAFS300+

作者利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）以及环形明场扫描透射电子显微镜（ABF-STEM）等表征手段，探明催化CNTs生长的活性相是Co₃O₄前驱体原位衍生的CoO和金属Co。作者进一步使用X射线吸收近边结构（XANES）研究了样品的局域配位环境和化学态信息。Co-K边X射线吸收精细结构（XAFS）和对比样（CoO、金属Co）活性测试证实催化活性组分是金属Co和CoO的混合相，其主要成份是金属Co（图2）。

图2. Co基催化剂的XAFS分析。

通过不同原料气（CH₄+H₂、CH₄+CO₂、CO+H₂）对比实验，推测CO及其相关物种是促进CNT生成的关键中间物种。与热催化过程相比，作者发现光能促进CNTs的生长。这一推断在原位漫反射傅立叶变换红外光谱（图3A）和在线质谱测试中得到进一步的证实。最后，结合密度泛函理论计算，作者揭示了CO₂转变成C的过程，并提出了相关的可能反应路径（图3B和3C）。

图3. 光化学Bosch过程机理研究。

该光化学Bosch策略的理论氧回收率可达100%，概念验证实验获得了68%的实验值，显示出该策略潜在的应用价值。相关反应参数和反应装置的进一步优化有望使其打破当前Sabatier技术主导的格局，在未来助力载人深空探索。