基于量子点/过渡金属离子界面调控的光催化还原二氧化碳的研究

Converting CO2 into higher valuable fuels with solar energy can address many impeding problems such as the depletion of fossil fuels and environmental deterioration. However, the conversion efficiency and selectivity of most present photocatalysts are still low and cannot fulfill the practical demands. It is urgent to develop new photocatalysts with higher activity and selectivity for future applications. Compared with the conventional materials, quantum dots (QDs) have some unique advantages such as high extinction coefficient, wide visible-light absorption, low cost, and mutiple-exciton generation properties. As such, QDs should be a good choice for the application in photocatalytic CO2 reduction. The project intends to manipulate the interface between QDs and catalytic sites for charge transfer, using strong coordination ligands to build a high-speed electron transfer path between the QDs and transition metal ions. Such design can accelerate the transfer of photogenerated electrons from QDs to metal ions and suppress the loss of electrons at the interface. Through exploring and optimizing the ligands and transition metal ions, we will be able to manipulate the catalytic properties of QDs. This project may lead to new breakthroughs in the QDs’ photocatalysis and help us to seek new photocatalytic mechanisms.

利用太阳能将二氧化碳转化为高附加值的燃料将能够有效缓解目前人类面临的能源枯竭和环境恶化等问题，而现有催化剂大多存在着催化效率较低、选择性差等问题, 难以满足实际应用的需求，急需开发新的催化剂或系统。量子点因其具有的高吸光系数、宽可见光吸收、低成本、多激子效应等特性，是光催化还原二氧化碳的潜在理想材料。本项目拟通过调控量子点和催化活性中心之间的电荷传输界面，构筑具有高效电荷传输能力和强过渡金属配位作用的有机配体，将光生电子迅速转移到过渡金属离子，以减小电子在界面间的传输损失。通过选择具有高催化活性和选择性的过渡金属离子，可实现对量子点催化性能的调控，突破现有量子点催化剂的局限性，并发展新的催化机制。

石化能源枯竭和气候变暖是人类生存面临的主要威胁，利用光催化技术将二氧化碳转化为能源气有望解决上述问题。量子点纳米晶是一类具有优异光电特性的半导体材料，是一种良好的光催化剂材料。但是由于其光生载流子复合严重及缺少有效地催化位点，量子点的催化性质通常较低。针对上述问题，本项目开发了一系列表面修饰策略来改善量子点的催化活性。在本项目中，我们通过掺杂、配体嫁接、无机配体修饰、异质结构筑等方法在量子点的表面引入催化活性中心或耦合半导体材料。基于上述方法，本项目分别对CdS、CdTe、CsPbBr3等量子点进行了表面修饰，并用于光催化还原二氧化碳。上述方法有效的促进了量子点的载流子分离，并为量子点提供了高效的催化位点。所开发的催化剂显示出优良的光催化还原二氧化碳性能。本项目还对催化反应所涉及的反应机理进行了初步的探索，为后续研究工作的开展提供了指导和借鉴。本项目所开发的量子点表面改性策略为新型光催化剂的研究和应用提供了新的思路。