非金属掺杂多孔碳基双功能电催化材料的可控制备及其在人工光合作用中的应用

Photoelectrocatalytic carbon dioxide reduction coupled with water oxidation is an important strategy to achieve artificial photosynthesis; it has important practical significance to ease china's energy crisis and environmental pollution. The key lies in the low cost and high efficiency of electrocatalysist toward carbon dioxide reduction and water oxidation. The catalytic mechanism of Carbon-based catalysts and relationship between structure and ORR catalytic activity were still unclear, Base on our previous research, by using the template pyrolysis, we design and synthesis a series of metal-free doped porous carbon materials with different structures and electrocatalytic performance, reveals the relationship between the elemental composition, pore structure and the bifuncational electrocatalytic performance (CDRR and OER), and discovers its active sites and reaction mechanism, finally build photoelectrochemical CO2-splitting device, and calculate the conversion efficiency. The innovation of this project lies in using the template-pyrolysis method to build pore doped carbon-based electrocatalytic materials, further reveals the active sites and reaction mechanism, and finally constructed CO2-splitting electrolytic device simulation of artificial photosynthesis. It is expected to obtain several high-performance porous doped carbon-based electrocatalytic materials, photoelectric CO2-splitting catalytic devices and related theoretical knowledge; it would be strive to promote the development of artificial photosynthesis technology.

光电催化二氧化碳还原耦合水氧化技术是实现人工光合作用的重要策略，对缓解我国能源危机与环境污染问题有重要的现实意义。其关键在于二氧化碳还原、水氧化电催化材料的低成本和高效率。本项目针对当前低成本碳基电催化材料的性能差、活性位点和反应机制不清的现状，在我们前期研究基础之上，采用模板热解法，可控制备一系列非金属掺杂多孔碳基材料，揭示其元素组成、多级孔结构对电催化二氧化碳还原、氧还原性能的影响，并揭示其活性位点及反应机制。最后结合商业太阳能电池构筑光电催化二氧化碳全分解池器件，并计算转化效率。本项目创新点在于利用模板热解法可控构筑掺杂多级孔结构碳基电催化材料，阐明掺杂元素、多孔结构与电催化的活性位点、反应机制之间的关系，并基于制备材料构建模拟光合作用的光电催化二氧化碳全分解器件。通过本项目研究预计获得几种高效非金属掺杂多孔碳基材料、光电催化器件及相关理论知识，力求推动人工光合作用技术的发展。

光电催化二氧化碳还原耦合水氧化技术是实现人工光合作用的重要策略，其关键在于二氧化碳还原(CDRR)、水氧化(OER)电催化材料的低成本和高效率。本项目着力于可控制备一系列非金属掺杂多孔碳基材料，揭示其元素组成、多级孔结构对电催化二氧化碳还原、水氧化性能的影响，并揭示其活性位点及反应机制。最后，结合商业太阳能电池构筑光电催化二氧化碳全分解池器件，并计算转化效率。本项目具体创新结果如下：1.基于含非金属元素（F、B、N、Si等）和碳基化合物为前驱体，通过简单模板（无机纳米二氧化硅、金属纳米颗粒等）热解法，可控地制备多种非金属掺杂的多孔碳基双功能电催化材料；2.通过现代分析手段解析获得SiC、SiNFC等非金属碳基电催化材料的微观结构、元素组成、表面原子键合和电子云结构等信息，材料具有与二氧化碳还原和水氧化还原电位相匹配的合适能带结构，体现出优异的光电响应及光电催化性能；3.提出一种水系可充电Zn–CO2电化学电池,模拟光合作用过程中CO2固定和水氧化的单独步骤。该电池通过燃料发电实现了68%的显著能效，为金属CO2电池绿色、高效和安全地利用CO2提供了替代方案。4.提出并展示了一种概念性人造树叶，通过简单地将光伏电池与固态Zn-CO2电化学电池耦合，实现了在阳光下和黑暗中的连续化学生产。即在纯CO2供应的情况下，可实现持续的O2释放和CO2还原，该系统实现高达15.2%的太阳光到CO的转化效率，超过了已报道的人造叶，是包括金属基催化剂阴极的最佳人工光合作用装置之一。以上是我们针对非金属掺杂多孔碳基双功能电催化材料的可控制备及其在人工光合作用中的应用的研究，这些研究为今后双功能材料的设计及其在人工光合作用中的实际应用以奠定了坚定的理论和技术基础。