基于TiO2复合介观晶体的光电化学固定二氧化碳的性能研究

The humans begin to face the serious problems of energy shortage and enviroment deterioration with the increasing consumption of the fossil fuels (such as the oil, gas and coal) as well as the large emission of carbon dioxide into the atomosphere. Nowadays, many researchers have taken the extensive consideration into the conversion of carbon dioxide into fuels through the process of artificial photosynthesis using the TiO2-based inorganic semiconductor system. However, the prominent problem in this research is that the efficiency of the photoreduction of CO2 into fuels by pure TiO2 semiconductor is much lower. As the mesocrystals have the unique properties of higher crystallinity, well-arrangement and a large amount of porosity, it is suggested that the photocatatlytic efficiency of TiO2 semiconductor would be greatly enhanced by combining other chemically different nanoparticles with TiO2 nanoparticles in a mesocrystal. In this program, we attempt to combine the nanopartices of SnO2 and α-Fe2O3 as well as TiO2 assembled into a mesocrystal using polymer surfactants as directing regents through the combination of liquid phase deposition and hydrothermal treatment technique. The unique performance of mesocrystals as well as the synergic effect of different nanoparticles would provide a great enhancement of the energy conversion efficiency for TiO2. Moreover, we would also investigate the photoelectrochemical fixtation and conversion of CO2 into organic fuels using the as-prepared TiO2-based composite mesocrystals, which would provide the experimental and theoretical supports for their applications.

随着石油、天然气和煤等化石能源的大量消耗，温室气体CO2的排放量也在逐年增加，人类开始面临着严重的能源短缺和环境恶化的问题。目前，利用TiO2等无机半导体来进行人工光合作用固定CO2生产有机物燃料引起了广泛的研究兴趣。然而，单纯的TiO2光还原CO2转变为有机物的效率非常低。由于介观晶体具有高结晶度、有序性和孔隙率等独特的优势，因此，通过将不同性质的纳米粒子与TiO2纳米粒子进行介观尺度上的自组装，形成复合介观晶体，有望大幅度提高TiO2的光电催化效率。本项目拟通过液相沉积与水热处理相结合的技术，在高分子表面活性剂的调控和诱导下，将SnO2、α-Fe2O3纳米粒子与TiO2纳米粒子自组装形成有序的复合介观晶体结构，研究该TiO2半导体复合介观晶体在光电化学固定CO2中的效率，为介观晶体的光电化学固定CO2制造有机物燃料的开发和应用提供实验支持和理论依据。

本项目针对当前日益突出的环境恶化和能源短缺问题，以人工光合作用思想为出发点，探索了基于无机半导体TiO2介观晶体及其相关复合材料光催化剂的光电化学还原CO2的性能。在光催化剂合成实验中，主要采用了液相沉积和水热反应相结合的实验技术，通过控制反应物前驱体浓度、反应温度、反应时间、表面活性剂的浓度等实验参数，系统研究了TiO2、SnO2、α-Fe2O3介观晶体及其复合粉体的制备及表征。在液相沉积TiO2的研究中发现，当采用80℃水浴液相沉积时，在不添加任何表面活性剂的条件下，可以获得具有多级结构的花状形貌锐钛矿型TiO2晶体；当采用25~35℃水浴液相沉积时，在添加表面活性剂的条件下，可以获得具有空心结构的八角形板状NH4TiOF3介观晶体，该介观晶体经煅烧之后可以转化为锐钛矿型TiO2介观晶体，并依然可以保持着空心结构和八角形板状形貌；当采用水热辅助液相沉积时，可以获得由大量的具有{001}活性晶面的纳米片状颗粒自组装而成的锐钛矿型TiO2空心微球。在水热合成SnO2与α-Fe2O3的实验中发现，当控制水热反应实验参数时，也可以获得具有多级结构及空心结构的SnO2与α-Fe2O3粉体。为了进行光电化学性能测试实验，我们将上述所获得的TiO2、SnO2、α-Fe2O3介观晶体及其复合粉体分散在含有无水乙醇和去离子水的Nafion溶液中，然后将上述悬浮液滴在ITO导电玻璃基底上，制备成工作电极，并在电解质溶液中通入纯CO2气体，测试了各种条件下开路电位、极化曲线和循环伏安曲线，并以此评价TiO2及其复合粉体的光电化学还原CO2的性能。在该项目研究过程中，目前为止已发表相关的SCI学术论文2篇，会议论文1篇，中文期刊论文1篇。