基于单晶光子晶体的人工光合作用CO2资源化利用

This project is intended to use single-crystal α-Fe2O3, BiVO4, Cu2O and other metallic oxide photonic crystals as photoelectrodes for photoelectrocatalytic CO2 into hydrocarbon fuels. It provides a new way to reduce greenhouse gas. Photonic crystals can simultaneously manipulating the behavior of electrons and photons, by adjusting light reflection, absorption, transmission and the transfer of interface electrons. It inhibits the radiative recombination of photo-generated carriers, which will effectively improve the quantum efficiency and solar utilization in reducing CO2 by artificial photosynthesis. Through theoretical calculations and experimental data, when the photoelectrodes have regular exposed crystal surfaces, the spatial separation of photogenerated of photogenerated electrons and holes among different facets will be beneficial for the photoelectrocatalytic performance. This study is to explore the impact on CO2 photoelectrocatalytic properties with the selective exposed facets of photonic crystal as photoelectrodes. It may further deepen the mechanism research of artificial photosynthesis for CO2 reduction and provide theoretical basis to develop new photovoltaic electrodes with broad spectral response and high efficiency.

本课题拟以α-Fe2O3、BiVO4、Cu2O等单晶光子晶体为电极材料，利用光电催化技术将CO2转化为碳氢燃料，为温室气体减排提供一个新的途径。利用光子晶体能同时调控电子和光子的特点，通过调节光子的反射、吸收与透射和界面电子的转移特性，抑制光生载流子的辐射复合，从而有效提高人工光合成还原CO2的量子效率和太阳能利用率。通过理论计算和实验研究发现，在具有规则暴露晶面的光电极材料上，不同晶面可富集光生空穴或光生电子而产生电荷空间分离效应，有利于光电催化活性的提高。本研究通过探索选择性晶面暴露的光子晶体对光电催化还原CO2性能的影响，进一步加深对人工光合成还原CO2作用机理的研究，为开发出具有高效宽光谱响应的的光电极材料提供可能的理论依据。

环境污染及能源危机是当今人类面临和亟待解决的重要课题。通过电化学的方法将CO2还原为碳氢燃料是解决能源与环境问题的重要途径之一，并受到国内外的广泛关注。由于Cu电极的还原效率较低，我们采用Cu光子晶体结构作为电极，通过增强电极对CO2的吸附作用和反应活性位点，来提高电化学还原CO2的活性和产物选择性。同时，通过金属复合的方式对Cu光子晶体进行修饰，利用不同金属具有不同的析氢电位与吸附能力来增强电子的传输能力及中间产物的稳定性，进而提高Cu光子晶体电化学还原CO2的效率。结合原位拉曼、原位红外、理论计算（DFT）以及时域有限差分（FDTD）模拟结构的电磁场分布等表征，揭示了中间产物在光子晶体上的变化以及多碳产物的形成历程。本研究揭示了CO2在光子晶体电极上的化学反应动力学行为，对电化学还原CO2的机理研究和应用具有重要意义。