多金属氧酸盐光催化还原CO2研究

Energy and environment problem became urgent topic in the 21st century. The reduction of CO2 emissions and conversion of CO2 into other carbon materials to reduce CO2 in the atmosphere has become important for long-term and stable economic development. Artificial simulation of photosynthesis is to convert CO2 into methanol, formic acid, CO or CH4 and other important chemical products under sunlight and realize the recycling of CO2. The key technology is development of photocatalyst in this field. At present, the commonly used photocatalyst mainly focused on some semiconductor materials. This project intends to synthesis of polyoxometalates with catalytic activities, including the transition metals replace polyoxotungstates, polyoxoniobates, polyoxotantalates and polyoxotitanates. Study the photocatalytic activity and selectivity especially in the photocatalytic reduction of CO2. Furuthermore, we will synthesis some hybrids based on POM/nitrogen carbide or POM/grapheme and study the photocatalytic activity in the photocatalytic reduction of CO2. By means of these experiments, photocatalytic materials having stable structures and excellent performance can be selected. It is believed that the work of this project will provide practical materials and valuable experimental data for polyoxometalates’ application in the areas of materials and energy.

能源与环境问题是二十一世纪全世界科学家面临的重要课题。其中抑制CO2的排放量和转化CO2成其他含碳物质从而减少大气中CO2含量已经成为经济长期稳定发展和环境治理方面亟待解决的问题，也是发展新能源和环保技术的战略课题之一。人工模拟光合作用就是利用太阳光，将CO2还原转化为甲醇、甲酸、CO或者CH4等重要化工产品，实现CO2的循环再利用，其核心问题为光催化剂的研发。目前常用的光催化剂主要集中于各类半导体材料。本项目拟合成多种具有光催化性能的多酸催化材料，包括过渡金属取代的多金属钨酸盐，多金属铌、钽、钛酸盐，研究该类材料在光催化反应中的催化活性和选择性，重点研究该类化合物在光催化还原CO2反应中的催化活性。进一步研究多酸/碳化氮，多酸/石墨烯等复合材料的光催化活性，筛选出结构稳定，性能优异的CO2光还原催化材料，为多金属氧酸盐化学在材料和能源领域的应用提供材料和实验数据。

研究背景：能源与环境问题是二十一世纪全世界科学家面临的重要课题。人工模拟光合作用就是利用太阳光，通过人工合成光催化材料，将CO2还原转化为甲醇、甲酸、CO或者CH4等重要化工产品，实现CO2的循环再利用，其核心问题为光催化剂的研发。.研究内容：本项目的主要研究内容是合成多种具有光催化性能的多酸团簇光催化材料，包括过渡金属取代的多金属钨酸盐，多金属钽酸盐，研究该类材料在光催化反应中的催化活性和选择性。另一个研究内容是制备具有光催化活性的多酸/碳化氮复合材料，研究所制备复合材料的光催化活性，探索多酸在光催化分解水、二氧化碳还原等反应体系中的作用和机理，筛选出结构稳定，性能优异的光催化材料，为多金属氧酸盐化学在材料和能源领域的应用提供材料和实验数据。.研究成果：共合成出具有光催化活性的高核多酸团簇化合物15例，通过单晶X-射线衍射等表征手段对所合成化合物的物理化学性质进行表征，从中筛选出结构稳定、具有光催化活性的多酸团簇光催化材料。将所合成的多光催化材料和二维材料碳化氮等进行复合，考察所制备材料的光催化分解水、二氧化碳还原等性能，从中筛选出具有优异光催化活性的复合材料。.关键数据：相对于传统的多酸材料在可见光区吸收弱的缺点，通过过渡金属掺杂合成的高核多酸团簇材料，可以在可见光照射下具有光催化活性，尤其是具有立方烷构型的过渡金属团簇，随着立方烷单元的增加，化合物的光催化性质得到明显提升，说明，具有立方烷构型的过渡金属团簇是一类性能优异的光催化材料。把经典多酸Ti17和碳化氮进行复合，得到材料的光催化性能远高于传统的二氧化钛光催化剂。.科学意义：通过精确的晶体结构和光催化性能表征，得出过渡金属掺杂的多酸团簇可以有效提高光催化活性，随着过渡金属团簇核数的增加，光催化性能得到显著提升。把多酸和二维材料进行复合后，催化性能得到显著提升，这些研究结果对于将来设计构建高效光催化体系做出重要的实验和理论依据。