光催化还原CO2中高效二维固相Z型可见光半导体体系的构建与性能研究

Traditional fossil energy consumption resulting in the increase of CO2 emissions, causing the greenhouse effect and other global issues. The use of cheap, abundant and clean solar energy photocatalytic reduction of CO2 to hydrocarbon fuels is one of the ideal way to solve the energy crisis and global warming issues. The light absorption efficiency, charge separation efficiency and surface catalytic conversion efficiency are the key factors restricting the quantum efficiency of photocatalytic reduction of CO2. Base on the recent research on Pt@Cu2O, Pt-MgO modification and SrNb2O6 nanoplates, for promoting adsorption and activation of CO2 and improving the efficiency of charge separation, we propose a study of two-dimensional (2D) solid-state Z-scheme visible photocatalytic system for the simulation of natural photosynthesis, to increase the visible light absorption range, promote photogenerated charge separation, and improve the selectivity of CO2 photoreduction. This project will develop the method of 2D material synthesis and the assembling of semiconductors and electron mediators, then adjust the functional components of the catalytic system. We will adjust the structure of the 2D solid-state Z-scheme visible photocatalyst precisely and explore the effects of structure and properties of semiconductors, electron mediators and promoters on the catalytic performance. Further, the efficient visible light CO2 photoreduction system will be developed.

传统化石能源消耗导致CO2排放持续增长，引发温室效应等全球性问题。利用丰富清洁廉价的太阳能资源光催化还原CO2为碳氢燃料是解决能源危机和温室效应问题的理想途径之一。光催化反应过程中吸光效率、电荷分离效率以及表面催化转化效率等是制约光催化还原CO2量子效率的关键因素。项目基于前期Pt@Cu2O、Pt-MgO助剂和碱性SrNb2O6纳米片等促进CO2吸附活化和电荷分离效率的研究基础，提出模拟光合作用，构建二维固相Z型可见光半导体催化剂体系，扩展催化剂可见光吸收范围、促进光生电荷分离、有效提高CO2还原选择性的研究策略。项目将从发展二维材料的合成方法、双半导体材料与电子传输介质的组装等方面，对催化剂中各功能组分进行调控。细致研究催化剂半导体材料、电子传输介质以及助剂的结构和性质对构建的Z型可见光催化体系光催化还原CO2性能的影响，揭示构效关系，发展利用可见光的高效CO2光催化还原体系。

二氧化碳的还原需要能量的输入，以光能或光能转化的电能作为驱动CO2转化的能量，是实现CO2还原的理想方式。针对CO2的还原，项目利用光催化、光电催化和电催化的手段，开发CO2还原的高效催化剂。另一方面，CO2还原的主要产物为C1化合物，为获得C2高值化学品，项目还研究了C1分子光催化C-C偶联制乙二醇的过程。针对上述研究目标，项目取得了如下主要研究进展：(1) 针对光催化还原CO2过程，利用局域表面等离子共振效应，开发了二维MoO3-x纳米片复合的可见光光催化剂。并以光/光电催化剂的纳米结构为主线，整理光/光电催化还原CO2的研究进展，发表综述论文。(2) 发展了光电催化和电催化还原CO2高效催化剂体系。以硅纳米线阵列作为光电催化剂的基底，通过Ni@In和Ag NPs助催化剂的结构和尺寸的调控，实现CO2高效转化制CO、甲酸和合成气。通过非金属元素S对金属In进行掺杂，调控电催化还原CO2过程中水的活化，进而实现高效高选择性制备甲酸，甲酸的生成速率可达1449 μmol h−1 cm−2，甲酸的法拉第效率为93%，显著高于已报道的研究结果。(3) 发展了甲醛或甲醇光催化碳碳偶联制乙二醇的新过程，在BiVO4催化剂上实现了甲醛光催化偶联制乙二醇的新光催化反应，在MoS2/CdS催化剂上首次实现可见光下甲醇光催化偶联制乙二醇新过程。项目通过系统的基础研究，发展了CO2高效还原制C1化合物的催化剂体系，并开发了C1分子偶联制乙二醇的光催化新过程，为开发CO2制C2高值化学品的高效催化过程奠定了一定的科学基础。