多功能催化剂的结构优化及对光合作用反应的强化机理

This proposal proposes a novel stretergy of CO2 adsorption and light harvast for intensifying the photocatalytic reduction of CO2 to overcome the issues at low efficiency of solar energy utilization, fast recombination of photo-generated electrons and holes, and low product selectivity and formation rate. Firstly, a series of niobate and tantalate photocatalyts will be designed and developed to photocatalytically reduce CO2 in water by simultaneously oxidizing H2O; Secondly, cocatalyst such as copper or its oxides will be combined with the as prepared photocatalyts for effectively separating photo-generated electron and hole, facilitating the photocatalytic reactions and increasing product selectivity. Finally, layered double hydroxides of magnesium and aluminium will be exfoliated to nanosheet and introduced as adsorbent of CO2 and support of the photocatalysts to kinetically enhance the reaction rate further. Meanwhile, the on-line ReactIR and Microelectrode system will be employed to monitor the reaction for collecting the kinetic information, obtaining reaction methanism and improving the catalyst design step by step in order to increase the efficiency of photocatalytic reduction of CO2. The novelties in design of multifunctional catalysts and their functional application for the artifical photosynthesis, as well as investigation to the photocatalytic reaction mechanism for heightening selectivity will actively promote the developments of multiple disciplines in resource and enviroment, photocatalytic materials and catalytic reaction engineering.

课题针对光催化还原CO2制备有机化合物时，光生电子和空穴复合速率快，产物生成速率和选择性低的问题，提出了利用吸附和光富集强化可见光催化还原CO2的新思路。首先，设计和制备一系列铌酸和钽酸盐光催化剂，并在纯水相中同时进行光催化还原CO2和氧化H2O的反应。其次，通过复合助催化剂铜或其氧化物，完成可见光的利用和光生载流子的有效分离，实现提高还原产物选择性和CO2转化速率的目标。最后，将剥离得到的层状铝镁双氢氧化物纳米片用作CO2的吸附剂和上述光催化剂的载体，从动力学层面再次加速反应。与此同时，借助在线红外和微电极系统等监测手段，循序渐进地研究光催化反应机理，改进光催化剂的设计，进一步提高光催化还原CO2的效率。课题在催化材料复合的构思，仿自然光合作用过程中的功能化应用，以及提高反应选择性的催化机理研究三个方面所体现的创新思路，对资源环境、光催化材料和催化反应工程学科的发展，将起到积极的促进作用

光催化还原CO2是仿照大自然中植物的光合作用，利用太阳能将CO2转化成碳氢燃料，实现碳循环，有效缓解环境污染和能源短缺的问题，具有明显的经济效益和社会效益。然而，现有的光催化还原CO2的量子效率依然极低，离工业化应用还有相当大的距离。开发高效光催化剂和对现有光催化剂的改性是提高CO2转化率的关键。本项目研究了一系列的光催化剂制备和性能，并用于异丙醇体系总光催化还原CO2，从晶体结构、催化剂形貌、复合半导体催化剂几个方面提高光催化性能，本项目的主要研究内容如下：.1. 以Nb2O5和KOH为原料，采用二次水热法制备氧化锌量子点负载铌酸钾纳米片，探究不同负载量对光催化剂的形貌及光催化性能的影响；利用相转移-溶剂热法和液相还原法制备CuO-NaTaO3 复合催化剂，研究了不同制备方法对催化剂晶体结构、形貌、吸光度、电子空穴分离效率等方面的影响并进行了光催化活性评价。实验发现使用不同方法制备的CuO-NaTaO3 复合催化剂活性差异巨大，这主要源自于氧化铜颗粒的尺寸、在NaTaO3 表面的分布状态和与NaTaO3 接触紧密程度的不同。 .2. 分别通过相转移法和一步共沉淀法制备出了CuO量子点(QDs)与超薄CoAl-LDHs (CoAl-u)，将两者结合成功制备出了具有Z型异质结的新型复合催化剂x%CuO/CoAl-u。通过对复合催化剂进行表征，继而进行了不同CuO负载量的复合催化剂光催化还原CO2反应的活性探索，检测了液体产物(CH3OH)和气体产物(CH4、CO)的产率。并分析了CuO/CoAl-u构成的Z型异质结构的光催化还原CO2机理，证实光生电子由CuO导带向CoAl-u价带的迁移流向，最终分别在CoAl-u的导带与CuO的价带发生还原和氧化反应。.3. 采用相转移法制备了CuO纳米粒子，将CuO和TCPP敏化ZnTi-LDH的进行复合，构建了具有Z型异质结的CuO/PZnTi-LDH复合材料。Z型异质结的构建延长了光生载流子的寿命，抑制了电子-空穴的复合，从而增强了材料光催化活性。5wt % CuO/PZnTi-LDH复合光催化剂有着最好的还原活性，有着优异的还原产CH4的选择性。在全波长光照5h条件下，CH4的产量为15.45 μmolg-1，是ZnTi-LDH的4.46倍，PZnTi-LDH的1.78倍。