棒状金属有机框架结构PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料的制备及其高效光催化CO_2还原性能（英文）

受环境污染和能源短缺的双重压迫,光催化CO_2还原技术引起了人们的广泛关注。低成本光催化材料的开发对于实现有效的太阳能-燃料转换至关重要。TiO_2作为光催化剂在光催化CO_2还原中被广泛采用。然而,较宽的禁带宽度和光生载流子的复合限制了它的进一步应用。在这项工作中,我们使用棒状PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料作为光催化剂,使用简单的水热法报告了二氧化碳的光化学还原。经过对PCN-222(Cu)/TiO_2进行一系列X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),紫外-可见漫反射光谱(DRS),傅里叶变换红外光谱(FT-IR),光电化学(PEC)和光致发光光谱(PL)等表征结果证明成功制备了该复合材料。SEM证实,TiO_2颗粒均匀分布在棒状PCN-222(Cu)/TiO_2的表面上。XRD结果表明,成功制备了具有良好晶体结构的PCN-222(Cu)和PCN-222(Cu)/TiO_2复合光催化剂。DRS显示制备的PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料在可见光区域出现金属卟啉的特征吸收峰。PL和瞬态光电流响应和电化学阻抗谱(EIS)进一步证实了棒状PCN-222(Cu)/TiO_2具有更好的电子-空穴对分离效率。通过控制PCN-222(Cu)和TiO_2的质量比,经CO_2还原性能测试表明,10%PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料具有最佳的催化活性。在氙灯照射下,棒状PCN-222(Cu)/TiO_2表现出比TiO_2纳米颗粒更好的光催化CO_2活性,这归因于电荷传输和较好的电子-空穴分离能力。10%PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料的催化效率最高,产率分别为13.24μmol·g~(-1)·h~(-1) CO和1.73μmol·g~(-1)·h~(-1)CH_4。此外,经过三个循环的测试,PCN-222(Cu)/TiO_2光催化剂的催化活性基本保持不变,在连续8小时光照下,催化剂的还原产率持续增加,表明PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料具有好的稳定性。禁带宽度和Mote-Schottky (M-S)曲线结果表明,PCN-222(Cu)的LUMO位比TiO_2的导带(CB)更负,因此提出了PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料可能的光催化反应机理。该研究为金属有机骨架和氧化物半导体复合材料光催化体系提供了新的策略。     

TiO2光催化还原CO2

光催化还原CO₂技术在CO₂的治理与利用方面有着潜在的应用价值和良好的开发前景。该文简要综述了近年来用于光催化还原CO₂反应的TiO₂光催化剂材料,包括纯TiO₂催化剂、负载型TiO₂催化剂、金属改性TiO₂催化剂、半导体复合TiO₂催化剂和有机光敏化TiO₂催化剂等,并介绍了各类催化剂光催化还原CO₂的反应性能。     

探究超薄Bi2MoO6纳米片高效光催化CO2还原活性

铋系层状半导体材料凭借其独特的表面特性在光催化领域得到广泛的研究及应用,然而在光催化反应过程中光生电荷迁移及其表界面动态变化却鲜见报道。本文中,我们利用准原位X射线光电子能谱仪（QIS-XPS）系统研究超薄Bi2MoO6纳米片光催化CO2还原过程中光生电荷迁移及其表界面演变过程。研究结果表明：在暗态条件下CO2分子吸附于（010）暴露面Bi活性位,由于CO2分子强的拉电子能力,导致内层出现高价态Mo(6 x) 。当光照射至样品表面上时,*CO2峰显著降低,*CO峰明显升高,表明CO2分子在Bi活性位发生活化断键,并与光生电子反应形成*CO,使得高价态Mo(6 x) 含量增大。活性测试表明超薄Bi2MoO6纳米片的CO产量活性为41.8 ?mol g-1 h-1,其比块体Bi2MoO6活性高4.2倍,并且展现出优异的光催化稳定性。该工作为二维层状材料高效光催化CO2还原机理研究提供了一种全新的研究思路。     

MOFs基材料在光催化CO2还原中的应用

系统总结了金属有机框架(MOFs)基材料在光催化还原CO₂中的最新研究进展, 其中包括MOFs直接作为光催化剂和作为复合光催化2个主要部分, 讨论了MOFs基光催化剂在催化还原CO₂方面展现出的独特优势, 并对MOFs基光催化剂的结构稳定性与CO₂转化效率等问题进行讨论与分析, 对未来发展趋势进行了展望.     

g-C3N4表面改性及其光催化制H2与CO2还原研究进展

Solar energy is the largest renewable energy source in the world and the primary energy source of wind energy, tidal energy, biomass energy, and fossil fuel. Photocatalysis technology is a sunlight-driven chemical reaction process on the surface of photocatalysts that can generate H₂ from water, decompose organic contaminants, and reduce CO₂ into organic fuels. As a metal-free polymeric material, graphite-like carbon nitride (g-C₃N₄) has attracted significant attention because of its special band structure, easy fabrication, and low costs. However, some bottlenecks still limit its photocatalytic performance. To date, numerous strategies have been employed to optimize the photoelectric properties of g-C₃N₄, such as element doping, functional group modification, and construction of heterojunctions. Remarkably, these modification strategies are strongly associated with the surface behavior of g-C₃N₄, which plays a key role in efficient photocatalytic performance. In this review, we endeavor to provide a comprehensive summary of g-C₃N₄-based photocatalysts prepared through typical surface modification strategies (surface functionalization and construction of heterojunctions) and elaborate their special light-excitation and response mechanism, photo-generated carrier transfer route, and surface catalytic reaction in detail under visible-light irradiation. Moreover, the potential applications of the surface-modified g-C₃N₄-based photocatalysts for photocatalytic H₂ generation and reduction of CO₂ into fuels are summarized. Finally, based on the current research, the key challenges that should be further studied and overcome are highlighted. The following are the objectives that future studies need to focus on: (1) Although considerable effort has been made to develop a surface modification strategy for g-C₃N₄, its photocatalytic efficiency is still too low to meet industrial application standards. The currently obtained solar-to‑hydrogen (STH) conversion efficiency of g-C₃N₄ for H₂ generation is approximately 2%, which is considerably lower than the commercial standards of 10%. Thus, the regulation of the surface/textural properties and electronic band structure of g-C₃N₄ should be further elucidated to improve its photocatalytic performance. (2) Significant challenges remain in the design and construction of g-C₃N₄-based S-scheme heterojunction photocatalysts by facile, low-cost, and reliable methods. To overcome the limitations of conventional heterojunctions thoroughly, a promising S-scheme heterojunction photocatalytic system was recently reported. The study further clarifies the charge transfer route and mechanism during the catalytic process. Thus, the rational design and synthesis of g-C₃N₄-based S-scheme heterojunctions will attract extensive scientific interest in the next few years in this field. (3) First-principle calculation is an effective strategy to study the optical, electrical, magnetic, and other physicochemical properties of surface strategy modified g-C₃N₄, providing important information to reveal the charge transfer path and intrinsic catalytic mechanism. As a result, density functional theory (DFT) computation will be paid increasing attention and widely applied in surface-modified g-C₃N₄-based photocatalysts.     

在TiO2上CO的光催化氧化

最近在“氧化的”TiO₂(即表面无氧空位和Ti³⁺)上进行的CO光催化氧化研究发现:室温下,以黑光灯(峰值λ=365nm)光照时,“氧化的”TiO₂无CO催化氧化的活性,但以杀菌灯(峰值λ=253.7nm)光照时,则对CO产生显著的催化活性.参照CO在过渡金属表面的催化氧化机理,对本现象进行了解释:黑光灯照时,O₂在TiO₂表面只生成O_2(a)^-,而O_2(a)^-不能使CO氧化,只有以杀菌灯照时,TiO₂表面产生O_(a)^-,CO氧化反应才能发生.     

原位制备氧化钛/氮掺杂石墨烯空心球光催化剂及其光催化CO2还原性能研究

利用光催化技术将二氧化碳转化为化学燃料是缓解温室效应以及能源危机的理想途径之一.因此,开发高效的光催化剂是当务之急.氧化钛由于具有优异的物理化学稳定性、成本低廉、无毒性以及环境友好等优点,近年来被广泛关注.此外,空心球结构光催化剂具有短的载流子扩散距离、良好的光散射性以及较大的比表面积等优点,从而成为光催化二氧化碳还原最有潜力的候选材料.但纯的氧化钛空心球由于较快的光生载流子复合速率从而导致低的光催化效率.因此,为了应对这一挑战,我们尝试在氧化钛空心球表面负载助催化剂用以促进光生载流子的分离,从而提高光催化二氧化碳还原转换效率.在各种助催化剂中,贵金属被证明是有效的.然而,高成本以及稀缺性限制了贵金属的广泛应用.因此,有必要设计成本低廉的助催化剂替代品.石墨烯以其优异的导电性、较大的功函数以及来源丰富而备受关注.当石墨烯与n型半导体光催化剂结合在一起时,能够显著促进光生电子从半导体光催化剂向石墨烯的定向迁移,从而有效地抑制光生电子与空穴的复合.当石墨烯中掺杂氮元素时,石墨烯骨架中的电子密度会进一步提高,同时,氮原子中的孤对电子更加有利于石墨烯骨架中的电子传输.此外,氮掺杂石墨烯中不同的氮位点(吡啶氮、吡咯氮和石墨氮)作为路易斯碱位点,能够用以二氧化碳分子的吸附以及活化.然而,迄今为止,最常用的制备半导体/氮掺杂石墨烯纳米复合光催化剂的方法是在氮掺杂石墨烯表面生长半导体光催化剂.所制备的光催化剂与氮掺杂石墨烯之间界面接触有限,不利于光生载流子的快速传递与分离.此外,助催化剂和光催化剂之间建立高质量的界面接触可以有效地抑制光生电子与空穴的复合.因此,有必要绕开传统制备方法的弊端,从而设计与光催化剂之间具有大的接触面积和紧密的界面接触以及具有丰富活性位点的高质量氮掺杂石墨烯助催化剂.本文提出了一种新的策略,以吡啶为氮掺杂石墨烯的前驱体,通过化学气相沉积方法在氧化钛空心球表面原位生长超薄氮掺杂石墨烯层(1～2层).此外,在高温状态下,吡啶分子脱氢生成具有优异扩散性质的脱氢吡啶自由基气相分子,随着反应的进行,氧化钛表面的每个纳米颗粒基元表面都能够与吡啶分子充分接触,从而保障两者之间大面积以及紧密的界面接触.光催化二氧化碳还原性能测试结果表明,优化后的氧化钛/氮掺杂石墨烯空心球纳米复合材料的二氧化碳光催化总转化率(一氧化碳、甲醇和甲烷的总产率)为18.11 μmol g-1 h-1,是空白氧化钛空心球的4.6倍和商业P25的10.7倍.高分辨透射电子显微镜、X射线光电子能谱以及拉曼光谱结果表明,成功构建了氧化钛与氮掺杂石墨烯之间紧密接触的界面.同时,氮掺杂石墨烯的引入能够显著增强复合光催化剂的表面光热效应以及氧化钛与氮掺杂石墨烯界面肖特基势垒的形成均有助于促进光催化二氧化碳还原反应的进行.因此,本文为石墨烯基光助催化剂的原位构建提供了一种行之有效的策略.     

金红石相TiO2-石墨烯复合材料的制备及其光催化性能

以鳞片石墨为原料, 用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO), 以异丙醇钛为钛源经一步水热法制备得到金红石相TiO₂-石墨烯复合材料(rGO-TiO₂), 考察了氧化石墨烯用量对复合材料光催化性能的影响. 采用X射线衍射(XRD), 比表面积(BET), 透射电镜(TEM), 扫描电镜(SEM), 拉曼光谱, 紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱和荧光光谱(PL)等测试手段对复合材料进行表征. 结果表明: 复合材料中TiO₂为针簇状结构的金红石相, 与石墨烯能够均匀复合; 与纯金红石相TiO₂相比, 复合材料具有较大的比表面积. 研究了该复合材料在紫外光下对罗丹明B 以及可见光下对甲基橙光降解效果. 当氧化石墨烯浓度为0.5 mg·mL^-1时, 制备得到的复合材料rGO-TiO₂具有较好的光催化效果.     

负载金属助催化剂MgAl-LDO/TiO2的光催化还原CO2性能

通过原位光沉积将不同贵金属Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Pd和Cu-Pt、Cu-Pd、Pt-Pd、Au-Ag作为助催化剂负载在MgAl层状双金属氧化物(MgAl-LDO)/TiO_2催化剂表面,研究了助催化剂种类对MgAl-LDO/TiO_2的光催化还原CO_2性能的影响.结果表明:沉积Cu、Ag、Au、Rh和Ag-Au时,还原反应倾向于生成CO,而沉积Pt、Pd、Cu-Pt、Cu-Pd和Pt-Pd时,反应倾向于生成CH_4.在所选择的助催化剂体系中,Au是最佳的单一金属助催化剂,Cu-Pt则是最佳的双金属助催化剂体系.     

共价有机框架材料在光催化CO2还原中的应用

全球范围内化石燃料的大量消耗导致了能源危机,同时其所排放的CO₂等温室气体使环境问题日渐突出。将CO₂等废气进一步转化为高附加值燃料是解决能源与环境问题的理想方案。利用取之不尽的太阳能作为能源实现光催化CO₂还原为能源化合物被认为是有效解决此问题的最佳途径之一。共价有机框架材料(COFs)是一类新型晶态多孔有机聚合物材料,具有结构稳定性、可设计性和结构多样化的特征,因此在光催化CO₂还原领域表现出了巨大潜力。本文概述了近年来COFs在光催化CO₂还原领域中的催化应用研究进展,包括引入不同金属离子提供活性位点、增加光敏性官能团提高其对可见光利用率等方法。最后对以COFs材料为光催化CO₂还原催化剂的研究进行了总结和展望,我们认为更进一步的新材料合成、修饰与催化机理研究仍是前景广阔的研究领域。     

Stabilization of Cu/Ni Alloy Nanoparticles with Graphdiyne Enabling Efficient CO2 Reduction

Electrocatalysis has become an attractive strategy for the artificial reduction of CO2 to high-value chemicals.However,the design and development of highly selective and stable non-noble metal electrocatalysts that convert CO2 to CO are still a challenge.As a new type of two-dimensional carbon material,graphdiyne(GDY),is rarely used to explore the application in carbon dioxide reduction reaction(CO2RR).Therefore,we tried to use GDY as a substrate to stabilize the copper-nickel alloy nanoparticles(NPs)to synthesize Cu/Ni@GDY.Cu/Ni@GDY requires an overpotential(-0.61 V)to 10 mA/cm2 for the formation of CO,and it shows better activity than Au and Ag,achieving a higher Faraday efficiency of about 95.2％and high stability of about 26 h at an overpotential(-0.70 V).The electronic interaction between GDY substrate and Cu/Ni alloy NPs and the large specific surface area of GDY is responsible for the high performance.     

CuOx/TiO2光催化水蒸气还原CO2反应研究

以商品TiO2-P25为原料,通过浸渍法负载一定量过渡金属Cu,得到一系列不同含量的CuOx/TiO2光催化剂.利用X射线衍射(XRD),X-射线光电子能谱(XPS),BET,高分辨率透射镜(HRTEM),X射线荧光光谱(XRF)和光致发光光谱(PL)等方法对催化剂进行了详细表征,在自建的光催化反应器中评价了气态水光催化还原CO2反应的活性和CH4收率.结果表明负载CuOx后的TiO2纳米材料光催化性能显著提高,其中1%CuOx/TiO2样品紫外光照72 h后,CH4生成量达到了24.86μmol.gTi-1.同时,CuOx负载量、反应温度、反应时间等因素对CH4收率均有显著影响.     

石墨烯量子点/铁基金属-有机骨架复合材料高效光催化二氧化碳还原※

利用可见光将二氧化碳光还原为有用的化学品是一项有前景但充满挑战的工作. 金属有机骨架(MOFs)作为一种新兴的具高孔隙率、高比表面积、强吸附富集CO₂能力、结构和功能可调的多孔材料, 在光催化二氧化碳还原反应中具有极强的应用潜力. 但大多数金属有机骨架材料存在可见光吸收范围窄、光生载流子快速复合等问题, 导致催化二氧化碳还原活性仍然较低. 通过静电自组装策略将纳米级胺基化金属有机骨架材料(NH₂-MIL-88B(Fe))和羧酸化石墨烯量子点(GQD)通过静电作用结合, 得到GQD/NH₂-MIL-88B(Fe)复合材料. 该复合催化剂有效结合了金属有机骨架强二氧化碳吸附富集能力和GQD的可见光吸收范围宽、电子传导能力强等优点, 因此与纯金属有机骨架材料NH₂- MIL-88B(Fe)相比较, 该复合材料能高效光催化还原CO₂为CO, 并在10 h可见光下活性高达590 μmol/g, 约为NH₂-MIL-88B(Fe)活性的四倍. 这项工作为制备高活性催化CO₂的金属有机骨架复合材料提供了借鉴.     

在Pd/TiO2上CO的光催化增强效应

在Pd(2％)/TiO2上CO催化氧化的研究中发现：室温下， 以黑光灯（λ=365 nm）照时， CO的氧化活性比暗态显著提高，产生了明显的光催化增强效应（两者速率常数比约为15）.但在TiO2上，无论暗态还是黑光灯（λ=365 nm）照，均无CO氧化反应发生.这可能是由于氧分子解离吸附时的键能减弱，使Pd表面氧原子（或O－）浓度增加和氧原子的溢流（oxygen spillover）两种效应结合产生的.     

CuOx/TiO2光催化水蒸气还原CO2

以商品TiO2-P25为原料,通过浸渍法负载一定量过渡金属Cu,得到一系列不同含量的CuOx/TiO2光催化剂。利用X射线衍射（XRD）,X－射线光电子能谱（XPS）,BET,高分辨率透射镜（HRTEM）,X射线荧光光谱（XRF）和光致发光光谱（PL）等方法对催化剂进行了详细表征,在自建的光催化反应器中评价了气态水光催化还原CO2反应的活性和CH4收率。结果表明负载CuOx后的TiO2纳米材料光催化性能显著提高,其中1%CuOx/TiO2样品紫外光照72 h后,CH4生成量达到了24.86 µmol•gTi-1。同时,CuOx负载量、反应温度、反应时间等因素对CH4收率均有显著影响。     

Photocatalytic Reduction of CO2 on TiO2 and Other Semiconductors

Rising atmospheric levels of carbon dioxide and the depletion of fossil fuel reserves raise serious concerns about the ensuing effects on the global climate and future energy supply. Utilizing the abundant solar energy to convert CO₂ into fuels such as methane or methanol could address both problems simultaneously as well as provide a convenient means of energy storage. In this Review, current approaches for the heterogeneous photocatalytic reduction of CO₂ on TiO₂ and other metal oxide, oxynitride, sulfide, and phosphide semiconductors are presented. Research in this field is focused primarily on the development of novel nanostructured photocatalytic materials and on the investigation of the mechanism of the process, from light absorption through charge separation and transport to CO₂ reduction pathways. The measures used to quantify the efficiency of the process are also discussed in detail.     

A Bismuth-Based Zeolitic Organic Framework with Coordination-Linked Metal Cages for Efficient Electrocatalytic CO2 Reduction to HCOOH

Zeolitic metal–organic frameworks (ZMOFs) have emerged as one of the most promsing catalysts for energy conversion, but they suffer from either weak bonding between metal-organic cubes (MOCs) that decrease their stability during catalysis processes or low activity due to inadequate active sites. In this work, through ligand-directing strategy, we successfully obtain an unprecedented bismuth-based ZMOF (Bi-ZMOF) featuring a ACO topological crystal structure with strong coordination bonding between the Bi-based cages. As a result, it enables efficient reduction of CO₂ to formic acid (HCOOH) with Faradaic efficiency as high as 91 %. A combination of in situ surface-enhanced infrared absorption spectroscopy and density functional theory calculation reveals that the Bi−N coordination contributes to facilitating charge transfer from N to Bi atoms, which stabilize the intermediate to boost the reduction efficiency of CO₂ to HCOOH. This finding highlights the importance of the coordination environment of metal active sites on electrocatalytic CO₂ reduction. We believe that this work will offer a new clue to rationally design zeolitic MOFs for catalytic reaction