光催化二氧化碳还原界面浸润性调控及分子输运性质研究

Solar driven photocatalytic CO2 reduction into chemical fuels is one of the ideal strategies for the construction of artificial carbon cycle to solve the energy crisis. Improving CO2 photo-conversion efficiency to lower the operation cost is one of the most urgent problems in this field. The rate limited step often originates from the slow surface kinetics process, promoting significant investigations focusing on the surface/interface properties of photocatalysts. On the basis of previous research works, this project focuses on the efficient interfacial molecular transportation over photocatalysts by developing gas-solid-liquid triphase photocatalytic systems and superwetting interfacial structures, to realize efficient interfacial diffusion and mass transfer of CO2 molecules and improve the photocatalytic reaction rate and products selectivity. Advanced in-situ spectrum technology will also be used to reveal the synergistic mechanisms between molecular interfacial diffusion process and surface adsorption activation process. The findings of this project will provide scientific basis and innovative program for the design of interfacial structure of photocatalysts.

以太阳能为驱动力，利用光催化的方法将大气中的CO2还原为燃料等化工产品，是构建人工碳循环并解决能源危机的理想途径之一。提高CO2的光催化转化效率，降低操作成本，使其进一步走向大规模应用，是当前该领域亟需解决的难题之一。鉴于光催化过程中表面化学反应动力学缓慢等问题往往是制约光催化反应高效进行的决速步骤，促使有关催化材料表界面性质的研究成为该领域的研究重点。本项目拟在前人研究工作的基础上，重点围绕如何实现反应分子在光催化材料界面处的高效输运这一关键科学问题，通过设计新型气-固-液三相光催化体系，构建特殊的超浸润界面结构，提升CO2分子在催化剂表面的扩散与输运过程，从而使光催化反应速率及CO2还原的产物选择性得到大幅提升，同时利用先进的原位光谱学表征技术，揭示界面分子输运过程与光催化材料的表面吸附活化过程之间的协同作用机制，为光催化材料表界面结构的理性设计提供科学依据和创新方案。

光催化合成是实现惰性化学键绿色活化的理想途径。在不断突破光化学反应本征活性的同时，气、液反应物在催化界面的扩散传质逐渐受到研究人员的关注，认识到缓慢的传质动力学往往是制约光催化合成反应性能进一步提升的关键问题。对结构导向的界面传质行为的表征与优化调控，是该领域未来的研究重点。本项目围绕二氧化碳（CO2）等资源气体小分子的催化界面传质与反应动力学展开研究，重点研究了气-液-固三相界面的结构与浸润性对CO2界面传质、吸附与转化过程的内在关系，通过发展三相界面激光共聚焦成像、三相界面原位电化学荧光光谱等表征方法，揭示了部分浸润的三相界面浸润态对CO2传质的促进作用，解决了传统光催化体系中面临的液相溶解与扩散传质难题，实现了高光强、高电流密度等反应条件下CO2的高选择性催化转化，为新型三相光催化CO2还原反应体系的设计提供了重要的实验和理论依据。此外，项目将气-液-固三相催化反应体系拓展至其他重要的反应类型，如空气加水光催化合成双氧水、乙炔加水选择性还原制乙烯等，为解决一系列有气、液分子同时参与的催化反应面临的扩散传质共性科学问题提供了新的研究思路。