MO/MAl2O4复合空心球的组装及光电转化还原CO2研究

MO/MAl2O4 composite hollow microspheres with good stability, strong adsorptivity and high photocatalytic activities are fabricated via surfactant-assisted one-pot hydrothermal method by using glucose as template and adjusting the molar ratio of M to Al. A general method for synthesis of hollow microspheres structure can be obtained through optimization of the preparation technology and adjusting the characteristic parameters of composite photocatalysts. The photocatalytic activities of the as-prepared samples are evaluated by photoreduction of CO2 to hydrocarbon. The as-obtained photocatalysts can be modified by atomic doping, noble metal depositing and metal sulfide (oxide) loading to optimize the heterojunction hollow sphere-like nanocomposite photocatalysts matching the reduction potential of CO2/CO2-. Combined with the modern characterization techniques, the phase configuration, energy band structure and optical absorption property will be investigated. The effects of various factors on photoreduction efficiency of CO2 are discussed, and the reaction mechanism of the photoreduction of CO2, the interaction mechanism between the photocatalysts and CO2, the mechanism of photocarrier separation, composite and transfer in the heterojunction composite photocatalysts will be explored to improve photon-to-electron conversion and reduction of CO2 efficiency, which can provide theoretical and experimental support for reducing the emission of CO2, a greenhouse gas, and fulfilling the recycle utilization of hydrocarbons.

以葡萄糖为模板剂，通过控制M、Al的比例，采用表面活性剂辅助一步水热法可控合成稳定性好、吸附性强的高活性复合MO/MAl2O4空心球。优化制备工艺条件，调控复合光催化剂的特征参数，获得可控制备空心球结构的普适方法。以光催化还原CO2评价其光催化性能，对样品通过原子掺杂、贵金属沉积、特种金属硫（氧）化物包覆等手段进行修饰改性，优选具有与CO2/CO2-的还原电位相匹配的纳米异质结空心球状复合光催化剂。结合现代表征技术，对其结构组成、能带结构、吸光性能等进行研究。探讨影响光催化还原CO2的各种因素，探明光催化剂与CO2间的相互作用机理以及异质结复合光催化剂中光生载流子的分离、复合及转移机制，提高光催化剂光电转换效率，实现CO2的高效还原。为CO2温室气体减排，实现碳氢化合物的再循环利用提供一定的理论与实验支持。

随着工业的不断发展，碳排放的显著增加打破了自然界的碳循环平衡，导致大气中以CO2为主的温室气体的浓度持续增加，由此引发的环境问题也日益凸显。因此，开发CO2减排和转化技术对保护环境、推动经济和社会可持续发展具有重大而深远的意义。本项目主要探讨了MO与MAl 2O4半导体间异质结分离电子和空穴的基本原理，为MO/MAl 2O4系列光催化剂高效还原CO2提供理论依据。通过共沉淀法制备了ZnO/ZnAl2O4、NiO/NiAl2O4和ZnO/ZnCr2O4复合光催化剂，考察了制备条件、反应条件对光催化活性影响。项目在分散剂和模板剂作用下，通过水热法组装了“球中球”ZnO/ZnAl2O4、多孔CuO/Al2O3(CuAl2O4)复合材料及ZnO/ZnGa2O4复合微球，探讨了球中球、微球和多孔结构的形成机理。通过水热模板法经C-Zn微球进行二次组装成Zn-CuO/CuAl2O4复合空心球，获得高比表面积光催化材料。项目用金属氧化物、磷酸对以上MO/MAl2O4进行修饰，获得了高活性复合光催化剂；通过贵金属沉积和硫化物负载对ZnGa2O4、ZnO/ZnAl2O4进行了修饰，形成的复合物表现出良好的协同效应，样品的光催化还原CO2产甲醇及光电转化性能大大增强。通过类水滑石前驱体法构建了一定金属离子比的ZnCu(Mn)Al-LDHs、ZnNiAl-LDHs，经焙烧获得具有强吸附和高活性的三元复合氧化物，金属离子比和焙烧温度等对复合氧化物的结构、形貌和异质结形成有较大影响；通过阳极氧化法制备TiO2纳米管，进一步采用阴极电沉积-阳极氧化技术获得高比表面积和电子转移能力强的Zn-Gr-O-TiO2-NTs。通过电化学工作站和光催化实验装置对各样品的光电转化及光催化性能进行了测试。本项目对于尖晶石半导体纳米异质结形成的基础理论；特殊结构复合氧化物的组装技术；复合光催化材料的修饰；类水滑石前驱体法构建三元复合光催化剂；光催化CO2还原和光电转化性能等方面进行了系统的研究。项目的研究成果为实现CO2的减排及碳氢化合物的再循环利用提供了一定的理论与实验支持。