光致缺陷辅助的催化分解CO2固C产O2反应研究

Removing CO2 and supplying O2 are important concerns in the life-sustaining systems. In this project, oxygen deficiencies on the surface of ZnO will be generated by photo-corrosion reactions with photo-generated holes, and oxygen are produced as a by-product. These deficiencies can activate CO2, further capture the O atoms in CO2 to stabilize the ZnO crystals. The C atom in CO2 will be reduced by photo-generated electrons. The decomposition of CO2 for C sequestration and O2 production will be therefore realized by a one-step method using chemical catalysis and photocatalysis mechanisms. Here, we will focus on the following research contents: (1) Analyzing the formation mechanisms of photo-generated oxygen vacancies with high activation energy for CO2; (2) Exploring the inner rules of CO2 decomposition in the presence of photo-generated oxygen vacancies and the influence factors of the decomposition efficiencies; (3) Finding the effective methods of improving the decomposition efficiency of CO2. This project will develop a green, low cost and high efficiency route in the decomposition of CO2 for C sequestration and O2 production, and provide a new way for the normal operation of life-sustaining systems as well.

移除CO2并及时补充O2是密闭空间中生命保障的基本条件。本项目拟利用光生空穴的光腐蚀反应在ZnO材料表面生成氧缺陷释放O2，通过氧缺陷催化活化CO2并逐步夺取CO2中的O来稳定ZnO晶格相和产生碳自由基，同时光生电子还原碳自由基生成单质碳，实现化学催化+光催化方法相结合的一步分解CO2固C产O2。主要研究内容包括：（1）解析光致氧缺陷的形成规律及CO2活化机制；（2）揭示氧缺陷辅助的CO2分解机理及其反应活性影响因素；（3）提出提高缺陷辅助的CO2分解效率的有效方法。本课题旨在为绿色经济高效地分解CO2固C产O2的研究提供新思路，并为解决密闭空间系统中生命保障系统的运行提供新方法。

针对传统的含氧缺陷过渡金属铁酸盐MFe2O4在分解CO2固C过程中使用寿命短、结构稳定性差等缺陷，以及反应过程耗能高且无O2释放等问题，本项目利用光腐蚀反应在非晶光催化材料表面生成氧缺陷，使其有效活化CO2分子，并在室温条件下通过化学催化+光催化方法一步实现分解CO2固C产O2。研究发现相关反应的具体机理如下：利用光腐蚀反应，通过光生空穴腐蚀氧化物半导体材料中的O原子产生氧缺陷活化、捕获目标气体分子中的O，因氧化物分子中的氧原子被催化剂晶格氧空位捕获而有效抑制了逆反应过程，并因光生空穴的持续性氧化而释放O2，光生电子还原COx产C。本项目的研究机理还适用于SOx，NOx等分子的分解产S和N物种。本项目所涉及的反应简单易行、能耗低，过程中可释放O2，有利于密闭系统中生命保障系统的运行；而且材料可循环再生，符合可持续发展的理念。本项目将为绿色高效地分解CO2固C产O2的研究提供理论依据与技术参考，并为解决密闭空间的生命保障系统问题提供新思路。