微生物辅助N掺杂石墨烯量子点/MOFs复合材料光电催化还原CO2

It has a double meaning to solve energy shortages and environmental problems if dioxide carbon can be converted to low-carbon energy. This project proposes a new system of photocatalytic reduction of CO2 assisted by microorganism. The photoelectrocatalysis system of CO2 reduction is designed and assembled by using photo-electro-catalyst of N-doped graphene quantum dots/MOFs composite as cathode, the multi-solvent system containing ionic liquid is chosen as catholyte and the electroactive microbial anode is prepared by on-line domesticated method. The mechanism of the composite mode and structure between N-doped graphene quantum dots and MOFs on the catalytic reduction of CO2 are investigated. The effect laws of components of multi-solvent catholyte on improving CO2 solubility, reducing overpotential and inhibiting competitive hydrogen evolution are explored. The ability of different microbial anodes to provide electrons and protons for cathodes is also investigated. The project mainly discusses the cation mechanism of catalysts on C=O activation. Meanwhile, first principle calculation method is used to calculate the band structure and structure-activity relationship of the N-doped graphene quantum dots/MOFs, and the adsorption site, intermediate transition state and reaction activation energy of CO2 on the catalyst surface. Designing the reaction process to find a low energy response path. Combining theory calculation and experiment, this project discusses the basic scientific problems in the process of microorganism assisted N-doped graphene quantum dots/MOFs composites photocatalytic reduction of CO2.

将CO2转化为低碳能源，具有解决能源和环境问题的双重意义。本项目提出一种微生物辅助光电催化还原CO2的新体系，将N掺杂石墨烯量子点和MOFs进行复合作为光电催化阴极，含有离子液体的多元溶剂体系为阴极电解液，利用在线训化法获得具有电活性的微生物阳极，构建光电催化还原CO2为低碳能源的新体系。考察N掺杂石墨烯量子点和MOFs的复合方式和结构对催化CO2还原的作用机制，探索多元电解液各组分对提高CO2溶解度、降低过电位和抑制竞争析氢反应的影响规律以及考察微生物阳极为阴极提供电子和质子的能力，重点研究该复合催化剂对C=O键的活化机制，同时通过第一性原理计算N掺杂石墨烯量子点/MOFs的能带结构、构效关系及CO2在催化剂表面的吸附位点、中间过渡态和反应活化能等，设计反应历程，寻找低能量反应路径。将理论计算与实验相结合，探讨微生物辅助N掺杂石墨烯量子点/MOFs光电催化还原CO2过程中的基本科学问题。

根据本项目的研究目标和计划，我们以光电催化还原CO2为目的，对阴极光电催化剂的设计和制备、阴极电解液的复配以及微生物阳极对降低反应能耗的影响进行了系统研究。主要包括：①制备了Cu-SnO2、Cu,S-SnO2、Cu,N-SnO2、Bi,S-SnO2、MoS2/SnO2、Cu-SnO2/ZIF-8、Bi2S3/ZIF-8、碳量子点/MOF-5、GQDs-MOF-5和NGQDs-MOF-5等一系列光电催化剂，并将其作为阴极对其光电催化还原CO2活性及其还原机理进行了研究，探讨了复合催化剂之间的光电协同效应及其对CO2催化活性提高的强化作用机制。②理论联系实验，结合第一性原理对光电催化剂材料的改性和掺杂进行了研究，深入探讨了Mg-S、Sb-N、C-S共掺杂以及MSe（M=Mo、W）对阴极光电催化材料能带、电子结构和耦合机制的影响，结合实验确定其对提高SnO2材料光电催化活性的作用；③制备了MoS2/Cu-CdS复合催化材料，并对该材料的光电析氢性能和并对催化析氢反应的机理进行了研究，对抑制光电催化还原CO2反应过程中竞争析氢反应提供了一定的理论指导。④分别以CQD/MOF-5、GQDs-MOF-5和NGQDs-MOF-5复合电极作为光电阴极，探讨了不同电极在不同种类离子液体、水溶液、有机溶液的多元电解液反应体系中的光电催化活性，并对多元电解液对光电阴极催化活性的影响进行了研究，确定了不同电极的最佳反应体系；⑤合成了MoS2/石墨烯（Gr）复合物，研究了MoS2/Gr电极作为微生物电解池（MEC）阴极对微生物阳极进行训化，为微生物阳极的制备、降低反应体系的能耗提供了一种新思路。上述研究成果的取得不仅为光电催化还原CO2转化为低碳能源提供了新途径，还揭示了光电催化的反应机理，为CO2还原技术的应用提供了新方法。