超薄铋基 Aurivillius 型氧化物混合维度异质结构的构筑及增强光催化还原CO2性能研究

In order to effectively deal with the current global energy crisis and environmental problems, taking advantage of photocatalysis technology to convert excess CO2 into carbon-based fuels is a promising strategy. However, there are very limited catalysts which are suitable for photocatalytic reduction of CO2, and the catalytic activity is far from enough to aggressively convert CO2 into fuels. Heterostructure not only integrates different materials with various dimensions, but also is capable of boosting photocatalytic activity through tuning the material dimension. Hence in this proposal, a series of ultrathin bismuth Aurivillius oxide nanosheets with mixed dimensional heterostructure is fabricated as photocatalyst for CO2 reduction. The various electronic structures and the interfacial contacts in heterostructure are fully characterized and well understood to optimize the heterostructure with high photocatalytic activity. In particular, the intrinsic relationship between the photocatalyst heterostructure (components, dimension and interfacial contact) and their catalytic activities are explored and built up. Furthermore, a possible CO2 reduction mechanism is proposed including CO2 molecule adsorption and activation, electrons transfer as well as products desorption. Understanding of the charge carriers behavior in various heterostructures with different dimensions provides a guideline for designing new functional photocatalyst. It will expand and enrich the catalysts with high efficiency for CO2 reduction, paving the way in practical industrial energy conversion and utilization.

为了有效应对当今世界性的能源危机和环境问题，利用光催化技术将大气中过多的CO2转化为碳基燃料是一种具有乐观前景的应用策略。然而目前适用于光催化还原CO2的催化剂种类偏少，结构单一，且催化效率不高。异质结构不仅能有效联合不同维度的催化材料，而且能够对“维度”因素进行调控以提高催化性能。本课题拟提出以超薄的铋基Aurivillius型氧化物为基材构筑一系列混合维度异质结构的光催化材料。对异质结构中的电子结构和界面结构进行调控与设计，实现协同优化光催化性能的目的，筛选出具有高活性的异质结构，并探索异质结构中组分、维度和界面接触方式与光催化还原CO2活性之间的内在关系。进一步探讨CO2分子在不同维度的异质结构中的活化机制和反应机理，为设计新型功能光催化剂提供理论和方法指导，拓展并丰富光催化还原CO2的高效催化剂，以便更好地服务于可工业化的能源转化与应用。

光催化技术能够利用太阳光或人工室内照明将大气中过多的CO2转化为高附加值的化学品以及有效地降解环境中的有机污染物，被认为是解决能源和环境问题最有前景的绿色技术之一。该技术发展的关键是光催化材料的开发。在众多研究的光催化剂中，铋基Aurivillius型氧化物因其较强的光催化活性引起了广泛的关注。然而成分结构单一的光催化剂仍然面临着太阳能利用率低、光生载流子复合严重等问题。鉴于此，对铋基Aurivillius型氧化物进行一系列结构改性的工作，通过混合维度异质结的构筑，从改善光学性质、电子结构、表界面结构等方面提高其光催化性能。主要工作有：（1）通过在Bi12O17Cl2超薄纳米片上修饰金属Bi颗粒构筑了Bi/BiOCl 0D/2D异质结构，能够促进材料的光吸收能力和光生电子-空穴对的分离效率，在光催化CO2还原性能测试中表现出较高的CO产量和循环稳定性。（2）BiOCl纳米片和石墨烯之间通过范德华力相互作用组装成2D/2D异质结，两者之间强的界面接触作用促进了光生电子的转移，同时石墨烯的引入还增强了对染料分子的吸附容量。因此复合物对RhB的降解速率是单一BiOCl纳米片的两倍，而且在CO2光催化还原方面也表现出优异的性能。（3）在富含氧空位缺陷的Bi12O17Br2纳米管上修饰了Bi纳米颗粒构筑0D/1D异质结光催化剂，所引起的光吸收增强、活性位点增多以及光生电子-空穴对的有效分离是材料具有良好的光催化还原CO2的原因。此外，还将构筑混合维度异质结光催化剂的思路拓展到TiO2体系，成功制备了金红石/板钛矿0D/1D同质结光催化剂，同样具有较高的光催化产氢性能和有机染料降解性能，证明这种异质结构光催化剂的设计方法的普适性，为设计新型高效的光催化剂提供理论和方法指导。