光催化还原二氧化碳用钨基氮氧化物纳米材料的设计与制备

The ideal model of making use of green-house gas is reducting carbon dioxide into hydrocarbon fuel by solar engergy. Considering the fact that photocatalytic efficiency of transfering carbon dioxides into hydrocarbons is still very low, the project plans to design and prepare new type of tungsten-based oxide-nitrides nano-porous photocatalystical materials, to construct high efficient carbon dioxide photocatalytical reduction system, to explore the internal relationship between photocatalytic material structure and performance, to approach new pathways for conversion of CO2 into hydrocarbon, and to reveal the reaction mechanism and selective behaviors of photocatalytic reduction of CO2. The targets of the project are significant to transfer carbon dioxide into potential fuel.

太阳光驱动下，利用光催化材料在常温和常压下，实现二氧化碳催化转化为可再生碳氢燃料，是CO2利用的最理想技术。本项目以新型缺位型钨基氮氧化物光催化剂为研究对象，拟利用材料氧缺位促进CO2吸附与转化，以N对O的取代拓展材料对可将光的响应，提高现有催化剂的催化效率。主要研究工作包括：（1）研究材料组成、结构、氧缺位与材料能级结构的关系，探索光催化材料能级结构与光催化性能的关系，建立光催化材料氧缺位控制方法和能级结构调控方法；（2）探索光催化CO2还原反应机理，揭示反应产物选择性规律，构建高效二氧化碳光催化反应体系，设计新型光催化转化CO2反应途径；（3）基于材料结构与性能关系以及光催化CO2还原反应机理，设计和制备对可见光响应的氧缺位型钨基氮氧化物纳米光催化材料。上述研究的突破将使CO2成为C1 化工中可再生C源，具有重要的科学意义。

目前温室气体二氧化碳的排放量逐年增加，温室效应所带来的气候变化等环境问题已经对人类社会产生重大的影响，利用太阳能将CO2转化为有机燃料对缓解环境问题和能源危机起到了重要作用。本项目采用水热法、氢气还原法、金属还原法及原位转化法等成功制备了一系列用于CO2还原的新型高效钨基氧化物光催化剂，如高含量活性晶面（002）的WO3纳米片阵列、不同氧空位指数的WO3-x/TiO2复合材料、富含氧缺位型WO3-x和缺位型异质结ZnWO4-x/WO3-x、Fe2O3-x/WO3-x、氧缺位型的纳米纤维WO3-x/WO3同质结材料、原位转化PW12/WO3复合薄膜和CdS/CdWO4/WO3薄膜等，这些钨基氧化物纳米催化剂在可见光还原CO2应用中均表现出良好的催化活性和稳定性，为开发和设计新型高效的半导体基纳米CO2还原光催化剂提供了新思路和新途径。.主要工作如下：（1）利用金属活泼性差异，通过金属还原法制备氧缺位WO3-x薄膜以及ZnWO4-x/WO3-x薄膜，并用于光电还原CO2体系，探讨氧缺位对于异质结薄膜电极光电性能及还原CO2性能的影响。（2）采用金属自还原法制备WO3-x/WO3同质结，探讨自还原法的反应机理，阐明了氧缺位与CO2还原的构效关系。（3）采用原位转化法制备了界面缺陷较少的PW12/WO3异质结薄膜，深入分析了异质结界面的结构特征对电子传输特性及CO2还原性能的影响。（4）采用原位转化法制备了CdS/CdWO4/WO3复合材料，在增强体相电荷分离传输效率的同时拓展了光吸收性能，从而提高CO2催化还原效率。（5）以硼酸为导向剂，采用水热法合成高含量（002）高活性晶面的WO3纳米片阵列，阐明了晶面取向对CO2还原性能的影响机制。（6）采用电化学的方法研究光阳极驱动型CO2体系中光阳极的具体作用，探讨了光阳极对阴极CO2还原的电压补偿作用和电子补偿机制。