氧化铈介晶生物遗态催化材料合成及其对二氧化碳光合还原机理研究

The over usage of fossil fuels raises a range of environmental issues, leading to the uncontrolable emissions of carbon dioxide, which causes serious the global greenhouse effect and threats to human healthy survival. The biological mesocrystal cerium oxide materials induced by template will be synthesized, with a controllable exposure crystal interface and the biological legacy C and N self-doping in lattice. The synthesized materials improve the utilized efficiency of visible light along with the replication of the biological hierarchical micro-nano pore structure. Furthermore,these materials may be a photo catalyst for converting carbon dioxide to hydrocarbons using for an energy source. This project focus on mehcanisms of the artificial photosynthetic reactions that convert carbon dioxide into hydrocarbons cerium oxide under the solar energy.The detailed study includes the following aspacts:the analysis of the material photo absorption rate and semiconductor band gap change rule; the high efficiency use of the sun light;the uptake capacity of carbon dioxide in different morph-genetic materials, reaction process;the selective product of cerium oxide photo electronic reduction, carbon dioxide transformation efficiency; the effect between the different doping ligh catalysts; and the inner relationship between the reduction rate and product of carbon dioxide and crystal surface. In conclusion, tt is expected that the use of a light catalyst of synthsized biomorphic materials is promising in dealing with the greenhouse gas emission and the recyle of the sustainable carbone.

化石燃料的大量使用，造成二氧化碳的无节制排放，使得全球温室效应日益严重，引起了一系列的环境问题,对人类生存造成了巨大威胁。本项目通过模板诱导合成暴露晶面可控的氧化铈介晶生物遗态材料，在复制生物微纳孔结构的同时，实现氧化铈晶格的生物遗留C、N自掺杂，促使材料光吸收红移，提高对可见光的利用率。以该材料为光催化剂，将二氧化碳还原为可作为能源使用的碳氢化合物，通过分析材料的光吸收率和半导体能带间隙变化规律，来实现对太阳光的直接高效利用；系统研究二氧化碳在遗态材料中的富集效率及其被氧化铈光生电子还原的反应过程和选择性产物，探索二氧化碳光合还原转化效率和不同掺杂光催化剂之间的影响规律，揭示二氧化碳被光催化还原速率及产物与晶面因素之间的内在联系；阐明以氧化铈介晶生物遗态材料为光催化剂，直接利用太阳能将二氧化碳转化为碳氢化合物的光合还原反应机理，为温室气体的减排和碳的可持续循环利用提供新途径。

本项目采用生物大分子与多孔层状生物材料作为模板，制备了氧化铈介晶遗态材料和分级多孔氧化铈生物遗态材料，这类氧化铈材料对光的吸收随着掺氮量、掺碳量、氧空位比例及纳米超薄层结构的增加从紫外光谱区向可见光谱区红移，从计算得到的禁带宽度看，材料最小的禁带宽度约为2.55 eV；利用该材料作为光催化剂，研究其二氧化碳光还原机理，水分子被光生电子还原得到活性氢原子，在液态水体系中与富集的二氧化碳反应生成甲醇，在气态水环境下产物则为甲醇，利用这一反应机理，建立以微纳米分级多孔氧化铈遗态材料作为人工光合作用高效还原催化剂的反应体系。基于二氧化碳和水的光催化还原系统，对不同晶体结构和形貌的氧化铈材料进行光催化性能研究，单一晶面的介晶氧化铈材料较多晶氧化铈催化效率高，层状结构的氧化铈材料禁带宽度最小，其在可见光下的光催化效率得到极大提高，研究发现二氧化碳可被氧化铈生物遗态材料的仿生纳米孔道吸附，富集后的原料有助于催化反应的进行。以菌丝作为模板的氧化铈遗态微管材料具有最小的禁带宽度，以其作为光催化剂，气态状态下甲烷最高产量可达45μmol∙g-1 cat. ∙h-1，液态状态下甲醇最高产量可达85μmol∙g-1 cat. ∙h-1。目前已经在国内外重要学术刊物上发表论文14篇论文（其中SCI论文12篇，Dalton Transactions、Carbon Catalysis、 Communications等IF大于3的论文5篇，EI论文1篇，核心论文1篇），获教育部自然科学二等奖1项，申请国家发明专利6项，授权4项，培养博士研究生2名，硕士研究生6名。