用于二氧化碳转化燃料反应的纳米催化剂的设计、合成与机理研究

二氧化碳转化燃料的催化反应由于其独特的可降低大气中二氧化碳含量并同时产生燃料来源的特点，在未来的能源环境应用领域中将起很重要的作用。近年来，金属纳米催化剂作为二氧化碳光催化转化反应催化剂（金属-半导体复合结构）的重要组成部分，已经取得了一些进展，并且证实了其有效性，但是其催化活性与选择性有待提高。为了进一步开拓金属纳米催化剂在此领域中的应用，我们在本项目中提出了通过纳米晶的可控合成与新的表征手段来设计与合成高效的二氧化碳光催化转化燃料的催化剂的构想和实施方案。我们将通过纳米晶可控合成调节纳米催化剂的表面晶面、活性原子数、化学组成等特征，并合理利用表面增强拉曼光谱和电催化等手段探索各种催化剂表面的反应机理，对于催化反应各个反应步骤进行调控，从而优化催化活性及选择性。本项目的成功实施，不仅能在理论和实验上产生原始创新的新成果，而且能得到拥有自主知识产权的新型纳米催化材料，并有望应用于商业用途。

二氧化碳转化燃料的催化反应在未来的能源环境应用领域中将起很重要的作用。近年来，半导体-金属复合结构由于其肖特基势垒可促进电子-空穴分离，已经引起广泛关注并取得了一些进展，但是其在二氧化碳反应中的光催化活性与选择性有待进一步提高。本项目针对该瓶颈问题，在复合结构中金属表面晶面对催化活性及选择性的影响、金属表面结构特征对催化活性的调控作用、金属的化学组成对二氧化碳转化反应催化活性和选择性的调控意义、复合结构中的各项表界面特征与反应机理的关系等四个方面开展了系统工作。经过三年的执行，本项目组已经在复合光催化材料的合成方法学与机理探讨方面取得了突破性进展，并产生了许多未预期的新成果，辐射到其他一些催化领域（如电催化、气相催化和有机催化反应体系）。特别通过无机可控合成、理论模拟和先进光谱表征“三位一体”的交叉研究模式，理清了光催化复合材料体系中表界面状态和电子态对于其催化活性及选择性的关键作用，形成了若干种新型光催化材料复合结构。部分结果已在J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（5篇）、Adv. Mater.（2篇）、Chem. Soc. Rev.（1篇）等国际重要期刊上发表通讯作者论文19篇，6篇论文刊登在期刊内外封面封底上，1项成果入选中国科学院2013年度重大科技基础设施重要成果。正在培养博士生9名、硕士生1名和博士后1名，已毕业博士生2名（1名获中国科学院院长特别奖）。