光解水耦合二氧化碳还原全反应光电化学池的设计、组装和性能

Splitting water and reducing carbon dioxide into chemical fuels with solar energy is a very promising path. This research is one of the most Splitting water and reducing carbon dioxide into chemical fuels with solar energy is a very promising path. In recent years, Scientists are gradually moving their main research direction on photocatalytic reduction of carbon dioxide with functional devices. Design and synthesis of efficient CO2 reduction catalyst and assembly of CO2 reduction systems or devices are the primary cases. This project intends to to design and synthesis of highly efficient, stable and selective carbon dioxide reduction catalysts; utilization of organic photosensitive dye, semiconductor photosensitive material, catalyst and heterogeneous catalyst, to assemble photocathodes using variety combination methods; assemble the desired full reaction devices with photocathode (cathode) and/or photoanode (anode) for achieving photocatalytic carbon dioxide reduction coupling water splitting at the same time. Study the mechanisms of artificial photosynthesis devices, and determine the limit factors on their efficiency and stability will provide some useful scientific basis for artificial photosynthesis research field.

利用太阳能分解水，把二氧化碳转化成化学燃料是一项非常有前景的课题，这一研究直接关系到新能源开发与环境保护, 是近年来生物无机化学和可再生能源领域中重要的前沿课题之一。近年来，人们正逐渐将二氧化碳转化的主要研究方向转向光催化、器件化和功能化。研究的关键是构建高效、稳定的二氧化碳还原体系或器件。本项目拟设计高效稳定和高选择性的异相催化剂，利用有机光敏染料、半导体光敏材料、分子催化剂和异相催化剂，采用多种组合方式组装光阴极，优化光阴极的光催化二氧化碳还原能力，构建一系列具有更高光利用率和稳定性的二氧化碳还原器件。同时结合已开发的光阳极，构建光解水耦合二氧化碳还原全反应器件，期望实现光解水的同时实现二氧化碳还原，创建高效、稳定且廉价的人工光合作用系统。研究人工光合作用的机理，揭示并确定限制人工光合作用全反应器件效率以及稳定性的因素，为人工光合作用全反应器件的进一步研究提供科学依据。

在本项目的支持下，课题组围绕光、电催化水分解和二氧化碳还原展开科学研究。从分子催化剂的开发，纳米催化材料创制、光电催化器件的构建、优化和性能等方面进行基础研究和探索。运用分子工程手段成功开发了多个高效分子催化剂，纳米材料催化剂和复合材料催化剂。并基于这些催化剂，通过巧妙设计和组装成功构建了多个高效光、电催化二氧化碳还原体系，电解水耦合二氧化碳还原全分解体系，通过对催化剂与催化电极材料结构、形貌和界面等开展的精心调控和优化，有效改善了组分之间的电荷传输性能，实现了高效催化分解水的同时还原二氧化碳。并通过实验数据分析结合DFT理论计算，深入研究了各催化体系的催化活性中心和催化机理。研究成果为设计高效的光、电催化二氧化碳还原体系，构建人工光合作用全反应器件提供了重要的实验数据和新的思路。.1.采用分子工程手段，开发高活性分子催化剂与碳纳米管的相结合的电解水分子器件；采用纳米工程构建高效纳米材料电催化水分解体系。.2.采用分子工程手段将锌卟啉光敏剂和钴卟啉催化剂组装在功能纳米材料中，制备了双金属中心的ZnCo-BMOF超薄纳米片，有效改善了组分之间的电荷传输性能，提高了光催化二氧化碳还原效率。使用MOF 材料（Zn-TCPP(Co)-MOF/CP）作为双功能催化剂在全电池体系中同时进行电催化二氧化碳还原耦合水氧化。.3.为避免复杂分子繁琐的合成过程，充分发挥了天然分子催化剂配体结构特异性能，选用天然分子CNCbl作为催化剂，成功组装了高效稳定的CNCbl-MWCNT/CP电催化二氧化碳还原耦合水分解分子器件。.4.首次将商业化的有机染料光敏剂吖啶黄素应用于构建光催化二氧化碳还原体系，揭示了吖啶黄素和Co(bpy)2Cl2的配位协同作用对于体系高选择性的重要作用。