光电催化二氧化碳还原研究进展

发布时间：2021-03-04 17:05

　　CO₂是最常见的化合物,作为潜在的碳一资源,可用于制备多种高附加值的化学品,如一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸等。传统的热催化转化CO₂方法能耗高,反应条件苛刻。因此,如何在温和条件下高效地将CO₂转化成高附加值的化学品,一直以来是催化领域的研究热点和难点之一。光催化技术反应条件温和、绿色环保。然而,纯光催化反应普遍存在太阳能利用效率有限,光生载流子分离效率低等问题。针对上述问题,在光催化的基础上引入电催化,可以提高载流子的分离效率,在较低的过电位下,实现多电子、质子向CO₂转移,从而提高催化反应效率。总之,光电催化技术可以结合光催化和电催化的优势,提高CO₂催化还原反应效率,为清洁、绿色利用CO₂提供了一种新方法。本文依据光电催化CO₂还原反应基本过程,从光吸收、载流子分离和界面反应等三个角度综述了光电催化反应的基本强化策略,并对未来可能的研究方向进行了展望。 

【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(03)北大核心

【文章页数】：11 页

【部分图文】：

三种不同类型的光电CO2还原系统示意图

天津大学叶金花等人30采用热处理的方法实现了催化材料的自掺杂。在1200–1400°C的氩气氛围下，经过一系列热处理可以得到自掺杂的SiTiO3-δ材料。SiTiO3-δ材料是一种钙钛矿类型的材料，其自掺杂氧空位对其光学性能有着重要的影响。理论计算发现，氧空位的存在会在钙钛矿中引起线性空位排列，并与缺陷-缺陷相互作用，诱导形成一个新的隙带，从而增强可见光吸收31,32。多种表征手段证实该材料中存在三价钛离子以及氧空位缺陷，材料的可见光吸收明显增强(图3)。此外，CO2的吸脱附实验表明，材料的氧空位浓度越高，CO2在催化剂表面的化学吸附作用越强，催化反应效率也越高。除了掺杂方法外，等离子体金属纳米结构也可以提高光能的采集和能量转换效率，目前已被广泛应用于半导体材料中。在入射光波电场作用下，金属纳米颗粒的外层自由电子被极化发生运动，产生新电场，在原有体系内部施加了一种线性的内部恢复力。这种局限于金属纳米颗粒内部的电子偶极震荡，被称为局域表面等离子体共振(LSPR:localized surface plasmon resonance)33。

具有等离子共振效应的常见贵金属有Au、Ag、Pt等，非贵金属主要有Cu。在催化反应中，上述金属通常也被用作助催化剂以提高催化效率。其中，以Au、Ag为代表的贵金属基助催化剂在CO2催化还原方面表现出了优异的催化性能。Cheng等人34构建了一种Au负载p-GaN的光阴极材料，研究了其在光电催化CO2还原方面的性能。在570 nm光照下，Au纳米粒子表现出强烈的光吸收性能，在等离子激发之后，能将热的空穴注入到p-GaN中。如图4所示，在等离子作用驱动下，复合光阴极材料的催化性能进一步提高，且产物中CO的选择性增大。Hou等人35采用类似的策略，在三维石墨烯/Cu2O光电阴极上沉积得到了Au-Cu纳米合金催化剂。由于存在表面等离子体共振吸收，催化剂的可见光吸收能力明显增强。除了等离子体金属纳米颗粒以外，Kostecki等人36设计了一种六边形排列的Ag纳米电极用于光电还原CO2。在光激发下，纳米针电极尖端产生一个强电场，可以将等离子体激发的热电子引入到催化剂表面吸附的中间体上，如CO2和COOHads(一种瞬态中间体)。与光滑的Ag电极相比，Ag-纳米电极光电催化CO2还原的活性提高了约7倍。


本文编号：3063579