碳化硅与石墨烯复合材料的制备及其光催化还原CO2性能研究

Photocatalytic reduction of CO2 is one of the most potential routes of using and converting CO2. The lower efficiency and poor stability of catalysts are the major problems of the photoreduction of CO2 at present. The project will study the catalytic performance and the product selectivity of CO2 photoreduction using the composite of silicon carbide and graphene as the catalyst under visible light irradiation. On the one hand, SiC as a semiconductor are with high photoreduction ability and responsive to visible light; on the other hand, graphene could absorb mass of CO2, and fasten the transfer of electron and reduce the recombination of photogenerated holes and electrons due to its higher surface area and excellent electron conductivity. Therefore the composite could effectively improve the catalytic performance of the photoreduction of CO2. The effect of the addition of graphene and the interaction between SiC and graphene on the photoreduction performance of SiC based catalyst will be studied. The synergistic mechanism of SiC and graphene, and the correlation of catalyst's composition, structure and surface property with the product selectivity will be discussed in the project.

光催化还原CO2是最具前景的CO2利用和转化方法之一。针对目前光催化还原CO2存在的转化效率低、催化剂稳定性差以及对可见光响应弱的问题，本项目拟采用碳化硅与石墨烯的复合材料为催化剂，研究其在可见光下催化还原CO2的活性和产物选择性。一方面碳化硅半导体材料本身具有高的稳定性、优良的光还原能力并对可见光响应，另一方面石墨烯的高比表面积和良好的电子传导率，使其能够吸附大量CO2，并通过快速传输载流子减少光生电子和空穴的复合几率，从而提高光催化效率。通过考察石墨烯的加入量及其与碳化硅材料间的复合方式、相互作用力等因素对光催化还原性能的影响，探讨光催化过程中石墨烯与碳化硅的协同作用机理，以及催化剂组成、结构及表面性能等与CO2光还原产物选择性之间的相互关系。

光催化分解水和光催化还原CO2是两种非常重要的光催化反应过程，具有重要的研究价值和应用前景。本项目制备了碳化硅和石墨烯的复合材料，研究了其在可见光分解水和光还原CO2反应中的光催化性能。结果表明，通过硅烷偶联制备的碳化硅和石墨烯复合物在光催化分解水制氢反应中表现出良好的性能。与纯碳化硅以及机械混合的碳化硅/石墨烯相比，复合物催化剂的产氢速率提高了一倍，而且碳化硅和石墨烯两者的组成比例对光催化活性也有明显的影响。这些结果都大道理我们预期的设想。催化活性的提高一方面利用了碳化硅半导体材料良好的导电性，合适的禁带宽度，以及对可见光的响应特性；另一方面利用了石墨烯高的比表面和良好的电子传导率。将两者结合起来，通过两者界面快速传递载流子减少光生电子和空穴的复合几率，从而提高了光催化效率。在光催化还原CO2的反应中，虽然也发现了相似的规律：即检测到的复合催化剂的产物峰明显高于纯碳化硅。但是由于实验检测到的CO2转化效率太低，还没有达到文献报道水平（µmol/g/h）。我们认为所得结果和微量检测的准确性还有待进一步确定和提高，因此对研究结果并未进行总结和发表，相关工作仍在进行中。由于该工作遇到问题，我们调整了部分研究方向，进行了包括硼掺杂碳化硅材料的光解水制氢性能，以及Pd/SiC催化羰化偶联反应的研究，取得了不错的进展。结果发现与SiC相比，硼掺杂SiC光催化剂在可见光下催化分解水产氢的活性大大提高。而且高比表面碳化硅负载的钯催化剂在温和的条件下即可实现碘苯和苯硼酸的羰化偶联反应。