应用二联吡啶钴和铁酸铜光催化还原二氧化碳

发布时间：2020-03-30 12:33

【摘要】：随着人类对于化石能源需求的快速增长,环境和能源问题日益突出。利用太阳能进行人工光合作用催化还原二氧化碳,生成具有高附加值的碳氢化合物是解决能源和环境问题可行的途径。目前,利用太阳能进行光催化还原二氧化碳体系和光电催化还原二氧化碳体系均取得了一定的进展,但仍存在着催化效率低、成本高、太阳能利用率低、环境不友好等问题。为了实现大规模应用,应着力于开发具有高催化活性和稳定性的非贵金属催化剂以及能对可见光响应的非贵金属半导体材料。这是一个非常具有挑战性的课题,以此为出发点,本论文对利用太阳能催化还原二氧化碳的两种体系开展了相应的研究工作。构建Co(bpy)_2Cl_2/TEOA/Ru(bpy)_3Cl_2三组分均相光催化还原二氧化碳体系,以Co(bpy)_2Cl_2为催化剂。该催化剂结构简单,易于合成,成本低廉,同时具有良好的催化活性和稳定性。可见光照射4 h,可生成一氧化碳62.3μmol,TON值达到6230,氢气的产量达到69.9μmol,TON值为6990。在450 nm单色光波长的照射下,体系最大光量子效率达到2.04%。在长时间可见光照射下,光敏剂Ru(bpy)_3Cl_2分解生成[Ru(bpy)_2]~(2+),而催化剂Co(bpy)_2Cl_2在三次循环实验中仍然保持较高的活性。根据电化学实验和淬灭实验的结果,我们推断出激发态Ru(bpy)_3Cl_2的淬灭途径应该为氧化淬灭,并推测了相应的反应机理。在开发具有高活性和高稳定性的二氧化碳还原催化剂的基础上,可以进一步将其负载在光阴极上以实现太阳能光电催化还原二氧化碳。我们设想,通过吸附力较强的磷酸基团把分子催化剂Co(bpy)_2Cl_2和光敏剂Ru(bpy)_3Cl_2连接在空穴传输材料NiO上。在实验过程中,发现激发态的光敏剂发生严重电子空穴复合,电子无法有效地传递到催化剂。因此,我们改变思路,寻找到合适的半导体材料CuFe_2O_4,既能满足光催化还原二氧化碳的氧化还原电势,又能对可见光有很好的响应。我们通过刮涂法制备了CuFe_2O_4/FTO薄膜电极,组装成光阴极器件用于光电催化还原二氧化碳。CuFe_2O_4/FTO薄膜电极的禁带宽度为1.64 eV,对可见光有很好的响应。在-0.6 V vs.Ag/AgCl的偏压下、0.5 M的碳酸氢钾水溶液中,组装的光阴极器件在可见光照射下光电流密度达到120μA/cm~(-2),可以稳定4000 s,并产生了深度还原产物甲醇和乙醇。
【图文】：

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图 1.1 绿色植物光合作用原理示意图Fig. 1.1 Photosynthesis principle diagram of green plants.绿色植物的光合作用原理中我们可以看出，要想模拟绿色植物的光合作用利用动催化二氧化碳还原，，体系中必须有能够吸收可见光的吸光物质（光敏剂）[9金属配合物、有机染料或者 P 型半导体；还须有能使吸光物质得以再生的电子

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- 6 -图 1.2 光催化还原二氧化碳催化体系概念图The concept diagram of photocatalytic CO2reduction in homogeneous s
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.32

【参考文献】