层状A4Nb6O17型多孔光催化材料的设计及光催化还原CO2性能研究

In order to solve the energy crisis and environmental problems, converting CO2 and H2O to fuels such as CO and CH4 by solar photocatalysis is a promising green method. Designing photocatalytic materials with high efficiency is an important research topic in this filed. The layered A4Nb6O17 (A = K, Rb, H, et al.) type semiconductors have attracted widely attention because of their excellent properties in photocatalytic splitting water and degradation of pollutants. In this project, these materials are used for CO2 photoreduction. The photo-reduction of CO2 and photor-oxidation of H2O will be separated in different layers of A4Nb6O17, which will suppress the recombination of electron/hole pairs and decrease the reverse reactions. In another aspect, the micro-, meso-, and macroporous structure are introduced into the layers of A4Nb6O17 materials. The strong CO2 adsorption in porous structure will promote CO2 photoreduction efficiency. Furthermore, the influences of porous structures on the efficiency of CO2 photoreduction are investigated to make clear the relationship between meso-structure and surface reactions. This project will direct the exploration of functional inorganic materials with the property of CO2 photoreduction and drive the development of materials for energy and environment.

为缓解能源危机与温室效应，利用太阳光催化将CO2还原为CO、CH4等燃料是一种最具发展前景的绿色方法。设计高效光催化材料是当前该领域重要的研究方向。A4Nb6O17 (A = K, Rb, H 等) 型半导体材料具有独特的层状结构，表现出优异光解水性能，但在光还原CO2领域却鲜有研究。本项目基于光催化还原CO2反应，设计高效层状A4Nb6O17型多孔光催化材料。利用材料的层状特性，使光生电子还原CO2反应与光生空穴氧化H2O反应在不同的层空间进行，抑制电子空穴复合、减少逆反应；同时，在A4Nb6O17材料的层板上引入多孔结构，以增强CO2分子在层间活性位中的吸附与扩散，提高材料的光催化活性；探索孔结构与CO2光还原性能之间的关系，揭示材料微观结构与表面化学反应的本质关联。该项目有望提高我国在光催化还原CO2方面的科学研究水平，推动我国在能源环境材料研究方面的快速发展，具有重要的科学意义。

层状铌酸盐半导体材料具有独特的层状结构和光学特性，是一种重要的光催化材料。本项目以层状铌酸盐为研究对象，以构筑大比表面多孔和层状结构，实现调控光催化还原CO2等能源转化反应。主要的研究内容包括以下几个方面：.(1) 利用共沉淀、固相合成等方法调控合成了层状铌酸盐材料(A4Nb6O17)。对层状材料的进行结构改性，分别探究表面和层间担载助催化剂(Pt)对光解水产H2、光还原CO2等性能的影响。结果表明，层间担载Pt对产物选择性有较大促进作用(CH4产物选择性可达74.7 %)，而表面担载Pt的对整体反应效率有较大促进。研究揭示了层状材料不同活性位置对光催化反应的效率、选择性的影响规律。.(2) 发展了一种水热法法，合成多孔层状铌酸盐分级结构纳米材料，比表面积高达60.6 m2g-1。生长机理的研究表明材料的形成过程是Ostwald熟化效应。探究了孔体积、反应环境酸碱度、比表面、颗粒尺寸等因素对光解水产H2、光还原CO2反应的影响规律，揭示大比表面的多空层状结构是铌酸盐在光催化反应中起主导作用的关键因素。.(3) 发展了一种溶胶-凝胶法合成具有缺陷的铌酸钾材料。利用煅烧温度对所合成的材料的O缺陷进行调控，构建缺陷能级，降低禁带宽度，提高其光吸收性能，使得光吸能力边由波长380 nm延伸到450 nm。增强的光吸收能力可实现光催化还原CO2效率的提高，表明纳米结构的缺陷对材料的能带结构和光催化反应活性有直接的影响作用。.(4) 根据层状铌酸盐材料的合成规律，验证普适性，合成了其他层状功能材料如钨酸盐和磷酸盐。并且，据材料本身的物理化学特性，初步探索这些材料在光催化及其他能源转换性质，丰富层状功能材料的合成及在能源环境领域的应用。.本项目的开展对层状铌酸盐材料的调控合成具有指导作用，揭示了层结构、孔结构、比表面、电子能带等因素对光催化CO2还原、光解水产H2等反应的影响规律。对层状功能材料的开发及能源转化研究具有一定的促进作用，有利于能源环境材料的发展。