三维分级BiOX（X:Cl、Br、I）微/纳米材料可控合成、结构调控及CO2光催化还原性能研究

Reduction of CO2 to valuable hydrocarbons using solar energy is one of the best solutions to both the global warming and the energy shortage problems. This research will mainly focus on the efficient utilization of CO2, by exploring the controllable synthesis, structural modulation and photocatalytic reduction properties of nanomaterials. In this research project, we will synthesize 3D hierarchical BiOX(X:Cl,Br,I) photocatalyst materials by the methods of sonochemistry, microwave chemistry,etc. Then using novel and high efficient.modification techniques (such as graphene/g-C3N4 combination, loading with precious metals and formation of heterojunction,etc.) to optimize the hierarchical BiOX and achieve the desirable photoelectrical performance. Due to the 3D hierarchical structure, BiOX(X:Cl,Br,I) photocatalyst have good ability of visible-light driven and adsorption of CO2 characteristics, and to achieved selective reduction of CO2 on the hierarchical layer of BiOX. Through systematic characterization of the catalyst’s structure and In-depth study of probe reaction, to show the relations between the reaction performance and the catalyst composition, structure, properties and , morphology. In addition, evaluation of the photogenerated charges’ behavior (including the separation, transportion, recombination, etc.) of modified BiOX hierarchical structures and optimization of their photocatalytic activity will achieved by transient absorption spectroscopy and fluorescence spectrum techniques. Therefore, the obtained results will provide a theoretical basis for the design and the development of high efficiency and stable visible light-photocatalyst.

利用光催化还原将CO2 转换成有用的碳氢燃料是解决能源危机和环境污染最有前景的方法之一。本研究主要探索CO2的高效利用方法,开展光催化材料可控合成、结构调控及其光催化还原CO2性能的研究。本项目拟采用超声化学、微波化学等方法可控合成三维分级BiOX(X:Cl,Br,I) 微/纳米结构，通过石墨烯/g-C3N4表面杂化、贵金属负载及形成异质结等方法进行其结构调控改性，提高材料的光催化活性。借助改性三维分级BiOX微/纳米结构良好的可见光驱动独特结构和吸附CO2能力等特征，实现分级层之间CO2的选择性还原；通过对催化剂结构的系统表征和对探针反应的深入研究，揭示催化剂组成、结构性质及形貌等与催化性能之间的内在联系和变化规律。利用瞬态吸收光谱和荧光光谱等技术对改性材料的光生电荷行为 (光生电子-空穴的产生、分离和寿命等) 等进行评价。所获得结果能够为设计高效、稳定可见光催化剂的开发提供理论依据。

本研究利用超声化学、微波、光化学、水热及其联用等方法分别合成了以三维分级BiOX (X: Cl, Br, I) 微/纳米结构为基体的复合材料。BiOX材料独特的层状结构有利于光生电子-空穴对的有效分离。通过石墨烯/g-C3N4表面杂化、贵金属负载及形成异质结等方法进行改性，提高材料的光催化活性。对材料的形貌、尺寸、晶体结构、光学、光电性能等进行了表征及评价。并将其应用于CO2还原、污染物降解、氨合成等研究。结果显示对BiOX改性之后材料的性能显著提高。此工作中，采用水热法成功制备了Pt/N-BiOCl、pCN/BiOBr、Ru/BiOBr、BiOIxCly、Z-BiOBr/Bi/BiOI等材料，其中0.4%Ru/BiOBr有最高的光催化CO2还原成甲醇的速率(275.8 μmol/h·gcat)；Z-BiOBr/Bi/BiOI材料有最高的光催化CO2还原成乙醇的速率(40.9 μmol/h·gcat)；10%pCN/BiOBr、0.4%Ru/BiOBr、BiOI1.2Cl0.6表现出了出色的污染物降解能力，它们可以在30min内几乎完全降解RhB（作为模拟污染物）；此外，分别使用溶剂热法和水热法制备了Pt/N-MoS2和Z-g-C3N4/BiOCl复合材料，展示出了优异的氨合成性能。其中，Z-g-C3N4/BiOCl光催化氨合成的最高速率为(133.8 μmol/h·gcat)。另外，使用低温湿化学-微波辅助方法合成了叶绿素（Chl）和Mg共修饰的层状BiOCl材料，结果表明Chl0.05-Mg0.1/BiOCl取得了最高的光催化CO2还原成甲醇(100.2 µmol/h·gcat)和乙醇(32.1 µmol/h·gcat)的速率；使用水解-超声法合成了CdS/BiOBr异质结微球，结果表明15%CdS/BiOBr光催化还原CO2成甲醇的速率单独的BiOBr高一倍；使用两步法合成了具有同型异质结（p-p）的Cu2O@C-BiOI复合材料，结果表明30%Cu2O@C-BiOI材料具有最高的光催化CO2还原甲醇(90.4 μmol/h·gcat)和乙醇(33.1 μmol/h·gcat)的速率。针对上述内容提出了可能的反应机理。基于本项目所取得的成果能够为环境改善提供一定的理论基础。