基于硫化锌胶体设计的具有太阳光响应的高效二氧化碳还原光催化剂

Photocatalytic CO2 reduction, which utilizes the light irradiation and converts the CO2 (greenhouse gas) into valuable carbon containing compounds, has potential significance in resolving the environmental and energy issues. Herein, we proposed to use theamorphous colloidal ZnS with high surface deficiencies as the matrix of photocatalyst and try to use combined strategies, including doping and surface modification, to modulate (narrow) its bandgap and increase the activation ability and selectivity of CO2 reduction (versus hydrogen evolution reaction in aqueous solution). We will systemically investigated the influence of the kinds and concentration of transition metal ions on photocatalytic CO2 reduction performance and reaction mechanism. Meanwhile, we strive to develop doped/modified colloidal ZnS as a new type alternative to toxic CdS with excellent photocatalytic CO2 reduction performance under solar light.

光催化二氧化碳还原利用光能将具有温室效应的二氧化碳转化为有价值的含碳化合物，在解决环境和能源问题方面具有潜在的重要性。本项目提出利用高表面缺陷密度的无定型硫化锌胶体为光催化剂主体，通过综合利用过渡金属离子掺杂和表面修饰的手段对其进行能带调控并优化的同时提高催化剂对二氧化碳还原的活化能力和选择性，系统考察了不同掺杂和修饰的过渡金属离子与硫化锌胶体的优化匹配及其对光催化活性和反应机理的影响。最终，本项目将致力于开发出可完全取代有毒硫化镉的、在模拟太阳光下即具有明显活性的、以高二氧化碳还原选择性为目标的掺杂/表面修饰型硫化锌胶体光催化剂。

光催化CO2还原转化对于应对全球变暖与能源短缺的挑战以及实现“碳中和”宏伟目标具有重大科学意义。项目负责人早期发现了在无机反应介质中硫化锌纳米晶紫外光下具有极其高效的CO2还原活性。本项目针对硫化锌纳米晶过大的带隙以及高效光催化CO2还原所需要的表面特性，对硫化锌等关键硫化物光催化剂进行了结构和表面创新设计并深入分析了光催化CO2还原的反应机理。首先，本项目通过综合利用过渡金属离子掺杂对硫化锌纳米晶进行能带调控同时利用表面修饰的手段提高光催化剂对CO2的活化能力，考察了不同掺杂或修饰的过渡金属离子与硫化锌纳米晶的优化匹配及其对光催化活性的影响。其次，本项目研究了表面酸刻蚀处理对硫化锌等硫化物表面活性位形成及其CO2还原活性的影响。最后，本项目针对关键硫化物半导体进行了复合结构的设计，提高了相关硫化物光催化CO2还原体系的活性和稳定性。最终，本项目成功实现了在无机反应体系下高CO2还原活性和选择性为目标的硫化物光催化反应体系的设计。针对关键硫化物半导体光催化剂，本项目建立了掺杂、表面修饰、复合与其CO2还原活性及电子转移机理之间的关系，为高效硫化物光催化CO2还原体系的构建提供了理论和实验参考。