热催化—光催化直接耦合实现CO2高效清洁燃料化新过程及其微观协同机制研究

Direct conversion of CO2 to fuels using solar energy is an ideal approach to reduce CO2 emission while producing high energy density fuels, which has both scientific importance and practical significance. In this project, we propose to develop a novel catalytic process via coupling of thermocatalytic CO2 hydrogenation and photocatalytic water splitting using solar energy for highly-efficient and clean methanation of CO2-H2O. The structure-function relationship of the catalysts, nature of this complex coupling catalytic process, and reaction pathways will be systematically studied assisted by advanced characterizations including in-situ SFG-VS and DFT calculations etc. We anticipate that advances achieved in this project will form important scientific basis for the efficient coupling of thermocatalysis and photocatalysis, leading to highly-efficient conversion of CO2 to fuels directly using solar energy. Scientific knowledge generated in this project can also be broadly applied to other processes coupling thermocatalytic hydrogenation and photocatalytic water splitting.

直接利用太阳能实现CO2的燃料化既可减少CO2的排放，又能得到易于储运的高能量燃料，是CO2资源化再利用的理想途径，具有重要的学术意义和应用价值。本项目拟发展一种有效利用太阳能热催化—光催化直接耦合的新催化过程，通过热催化CO2加氢甲烷化和光催化水分解直接耦合途径，实现CO2-H2O的高效清洁甲烷化。针对这一复杂的直接耦合加氢过程，开展催化剂构—效关系、原位红外和频光谱(SFG-VS）等研究，借助密度泛函理论（DFT），探索不同反应条件下催化剂结构功能、反应中间物种、反应竞争途径的关联，揭示这一直接耦合催化新过程的本质及微观协同机制，为利用太阳能热催化—光催化直接耦合的CO2-H2O高效燃料化过程提供科学依据。该研究成果可推广应用到其它催化加氢与光催化水分解直接耦合的新催化过程，具有重要的理论和应用价值。

直接利用太阳能实现CO2的燃料化具有重要的经济和环境意义。本项目针对光催化CO2转化效率低的问题，发展了一种高效热催化—光催化直接耦合的CO2转化新催化过程，通过热催化CO2加氢和光催化分解水反应直接耦合途径，实现CO2-H2O的高效清洁转化，并揭示这一直接耦合催化新过程的本质及微观协同机制。通过本项目研究，取得如下主要进展和成果：.（1）在仔细分析CO2-H2O光催化转化中存在的根本问题基础上，设计了兼具有光催化分解水制氢和热催化CO2加氢反应性能的双功能Au-Ru/TiO2催化剂，当温度为358 K时，CO2-H2O光热转化的反应活性是光解水反应活性的15倍，实现了热催化CO2加氢反应和光催化分解水直接耦合的CO2-H2O的高效清洁转化，为CO2的清洁高效转化提供新的方向。.（2）在上述基础上进一步拓展开发了一体式的Cu/Cu2O双功能光热催化剂，实现CO2-H2O的高效清洁转化制甲醇，丰富拓展了光热直接耦合在CO2清洁转化中的应用。同时通过光和热对产物选择性影响的系统研究，探究了光热在热催化CO2加氢和光催化分解水直接耦合中的作用机制。.（3）通过系统的不同活性位催化剂的设计、催化性能评价及光热对产物选择性的影响等研究，探究了催化剂的构效关系，揭示了光催化分解水制氢和热催化CO2加氢反应直接耦合过程的本质及微观协同机制。研究表明热催化加氢反应快速消耗了光催化过程产生的高活性的H原子，大大降低光生电子和空穴的复合速率，从而提高本身相对CO2直接光催化还原更易进行的光催化分解水的活性，热催化CO2加氢和光催化分解水的直接耦合表现出强的协同效应。.项目研究成果为热催化—光催化直接耦合的CO2-H2O高效燃料化过程提供了科学依据，可推广应用到其它催化加氢与光催化水分解直接耦合的新催化过程，具有重要的科学和社会意义。