甲醇作為液態(tài)有機H₂載體(LOHC)極具吸引力，因為其成本低，易于運輸和高H₂儲存密度(99 kg m^?3)。甲醇和水可以通過甲醇水蒸氣重整(CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂，MSR)制備H₂，這是一種熱催化過程，通常在200-350°C之間進行。

盡量減少MSR反應的能量輸入對于甲醇作為LOHC的整體可行性至關(guān)重要，而貴金屬催化劑的大規(guī)模使用是不可行的。因此，開發(fā)和設計非貴金屬催化劑和可持續(xù)的MSR催化工藝以提供高H₂生產(chǎn)率具有重要的現(xiàn)實意義。

近日，中科院理化所張鐵銳課題組通過還原CuAl層狀雙氫氧化物(CuAl-LDH)納米片，成功地制備了用于光驅(qū)動MSR的新型L-Cu催化劑。

性能測試結(jié)果顯示，在光強為0.88 W cm^?2時，L-Cu的溫度在3分鐘內(nèi)從25°C升高到145°C，并在2.68 W cm^?2時達到最大值155°C，表明L-Cu催化劑具有良好的光熱效率。

在245°C和2.68 W cm^?2的光照下，L-Cu上的氫氣產(chǎn)率為160.5 μmol g_cat^?1 s^?1，太陽能能量轉(zhuǎn)換效率為5.1%。

此外，在L-Cu(五個連續(xù)循環(huán))上進行穩(wěn)定性測試，其在五個反應循環(huán)中的催化性能下降可以忽略不計，并且L-Cu催化劑的結(jié)構(gòu)在5個循環(huán)之后沒有顯示出明顯的變化，顯示出良好的催化穩(wěn)定性。

為了更深入地了解光在促進L-Cu MSR反應性能中的作用，分別采用基態(tài)和激發(fā)態(tài)密度泛函理論(DFT)計算模擬了在熱激發(fā)和激發(fā)態(tài)條件下納米銅顆粒表面的H₂O活化。

基態(tài)和激發(fā)態(tài)Cu (111)上的H₂O吸附能相似(-0.18 eV和-0.35 eV)，對于基態(tài)(藍線)的H₂O解離，活化勢壘(E_a)為1.14 eV，稍微吸熱(0.02 eV)；對于激發(fā)態(tài)(紅線)，E_a下降到0.83 eV，反應現(xiàn)在是放熱的(-0.33 eV)。

從熱力學和動力學的角度來看，L-Cu中LSPR效應產(chǎn)生的熱電子有利于提高MSR中產(chǎn)H₂性能。

該項研究結(jié)果表明，銅納米粒子催化劑(不添加任何合金形成金屬或促進劑)可以作為有效的低成本催化劑，還顯示了太陽能驅(qū)動的光熱催化作為溫和條件下MSR的一種途徑的巨大潛力。

Photo-Driven Hydrogen Production from Methanol and Water using Plasmonic Cu Nanoparticles Derived from Layered Double Hydroxides. Advanced Functional Materials, 2022. DOI: 10.1002/adfm.202213672