铟基三元金属硫化物催化剂在光催化二氧化碳还原领域中的研究进展（英文）

化石能源的过度使用造成CO₂大量排放,导致了环境问题,同时引发了能源危机.新能源技术的快速发展为缓解上述问题提供了有效途径.光催化CO₂转化技术因绿色环保、成本低廉、反应条件温和、操作安全可控而引起了研究者们的广泛关注.推动光催化CO₂转化技术发展的关键在于高效光催化剂的精准设计与合成.目前,已经发展了多种光催化剂.铟基三元金属硫化物因具有合适的能带结构、较宽的吸光范围和独特的双金属位点而成为光催化CO₂还原领域的研究热点之一.独特的双金属结构使其具有更丰富的活性位点,同时可以调控对关键中间体的吸附和解吸,进而提高CO₂反应活性,并精准调控目标产物的选择性.然而,缓慢的电子传输行为和高载流子复合效率阻碍了CO₂还原反应效率的提升,因此,目前距离实现光催化CO₂还原技术的工业化应用仍有较大的差距.为了克服上述难题,科学家们对铟基三元金属硫化物进行了大量研究,以期通过修饰改性进一步提高催化效率和选择性.然而,目前有关铟基三元金属硫化物在光...     

二维/二维S-型Bi3NbO7/g-C3N4异质结光催化剂驱动选择性CO2还原制CH4

人工光合作用可直接将二氧化碳转化为一系列碳氢化合物,实现大气中的碳循环,被视为一种既能解决能源短缺又能减少温室气体,进而改善人类生存环境的新型绿色技术.光催化二氧化碳还原体系需要合适的耦合氧化还原反应,以及对外界光源的有效利用以产生足够电子参与反应,因此构建高催化活性和高选择性的催化体系仍然面临着巨大挑战.此外,二维纳米结构(2D)由于具有比表面积大、离子的迁移路径短以及独特的平层电子转移轨道等特性,被证实有利于光催化还原CO₂过程.其中,Bi₃NbO₇特殊的片层结构和合适的能带位置,使其在光催化还原CO₂反应中表现出良好的催化性能.然而,Bi₃NbO₇的光生载流子易复合及反应中光腐蚀严重等缺陷导致其光利用率较低,限制了其实际应用.因此,构建S-型异质结是提高复合材料光催化活性的一种有前途的策略.S-型异质结不仅能有效地分离光生电子和空穴,而且这一电子转移过程赋予了复合物最大的氧化还原能力.同时,S-型光催化体系不仅拥有同样的强氧化和强还原能力,还可显著抑制副反应的发生及副产物的产生,有利于CO₂还原反应的高选择性进行.本文利用简易的溶剂热法制备了一系列S-型Bi₃NbO₇/g-C₃N₄(BNO/UCN)异质结光催化剂,与其纯组分催化剂相比,表现出优异的光催化还原CO₂活性,g-C₃N₄含量为80wt%的BNO/UCN-3光催化剂催化CO₂生成CH₄产率为37.59μmol·g^-1h^-1,是g-C₃N₄的15倍,CH₄选择性为90%;且循环反应10次后仍保持较高的活性及CH4选择性.光催化活性及选择性的显著增强是由于二维分布的纳米结构和S-型电荷转移路径.在可见光照射下,界面内建电场、带边缘弯曲和库仑相互作用协同促进了复合物相对无用的电子和空穴的复合.因此,剩余的电子和空穴具有较高的还原性和氧化性,使复合材料具有较高的氧化还原能力.自由基捕获实验、电子顺磁共振实验和原位X射线光电子能谱实验结果表明,光催化剂中的电子迁移遵循S-型异质结机理.综上,本文不仅为新型S-型异质结CO₂还原光催化剂的设计和制备提供了新方法,而且为未来解决能源短缺及实现碳中和目标提供一定的实验及理论依据.     

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.     

梯型2D/2D Bi2MOo6/BiOI范德华异质结的制备及CO2光还原性能(英文)

利用太阳能将CO₂还原为具有高能量附加值的含碳气相或液相燃料为解决能源枯竭和气候异常等问题提供一个有前景的方案.然而,由于CO₂光还原过程是上坡反应且具有高的反应能垒,目前光催化CO₂还原的转化效率仍然很低.为实现高效率CO₂光还原,半导体光催化剂需要有宽的光吸收范围、强的氧化还原能力和丰富的活性位点.但同时满足上述条件的光催化剂有限.在半导体中,BiOI具有1.8 eV的窄带隙,可以响应波长大于600 nm的可见光且具有很强的还原能力,因此广泛应用于CO₂光还原、全水分解和重金属离子还原等领域.此外,BiOI是一种典型的二维材料,交替的[Bi₂O₂]²⁺和I^-离子层会导致不同层间产生固有极化和内建电场(IEF).因此,BiOI可以凭借内在的IEF有效地实现电荷分离.然而,CO₂光还原还需要质子参与,而质子通常来自水氧化.但BiOI价带的氧化能力不足,影响CO_...     

基于机器学习和第一性原理计算构建双电子转移通道加速CO2光还原(英文)

光催化还原CO₂技术可以将CO₂转化为高附加值化学品,在解决日益严重的环境污染和能源危机方面具有巨大潜力.然而,CO₂分子较高的C=O键键能(750 kJ mol^-1)为其活化和还原带来了挑战.因此,构建具有新型电子转移路径的光催化剂具有重要意义.与传统的单电子传输通道相比,层状材料的多电子传输通道在改善载流子传输能力方面具有明显的优势.然而,设计具有合适参数的多电子通道光催化剂模型仍是重要挑战.本文首先采用理论计算预测了具有双电子转移通道、参数匹配的三元异质结BiOBr-Bi-g-C₃N₄;然后,通过机器学习探讨了各种实验参数对双电子传输通道的光催化活性影响的线性规律,优化了实验参数,制备了光催化活性较高的BiOBr-Bi-g-C₃N₄催化剂;最后,结合第一性原理计算和实验表征结果揭示了其光催化机理.理论计算结果表明,BiOBr-Bi-g-C₃N₄异质结具有最佳的吉布...     

金属铁络合物光催化二氧化碳还原

二氧化碳(CO₂)光催化还原技术因兼具解决能源和全球变暖问题的潜力而受到关注。金属铁络合物作为分子型催化剂,具有价格低廉、量子效率高、结构可调控和选择性好等优势,表现出优异的CO₂光催化还原性能,成为CO₂光催化还原领域的研究热点。本文综述了近年来基于金属铁络合物光催化二氧化碳还原研究进展。介绍了铁金属络合物(如:铁卟啉、铁多吡啶、五齿铁配合物)CO₂均相光催化还原体系,总结了体系的构成以及作用机理等,着重关注了体系的催化效率和产物的选择性。此外,综述了以半导体纳米材料/量子点作为光敏剂,金属铁络合物作为催化剂的非均相催化体系的研究进展。最后,对该领域未来的研究方向和所面临的挑战做出展望。     

一维g-C3N4/二维Ti3C2Tx界面调制促进光催化CO2还原活性与选择性(英文)

碳中和是实现绿色可持续发展重要途径之一,以半导体光催化CO₂还原.反应(CO₂RR)为核心的人工光合成技术极具发展前景.石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种二维层状光催化剂,化学性质稳定,且满足CO₂RR的热力学要求,但传统的g-C₃N₄光催化活性和选择性较低,这主要归因于高的电荷复合几率和低的光电子利用效率.采用二维碳化钛(Ti₃C₂T_x)等碳基助催化剂作为电子受体,促进光生载流子的快速分离与转移,成为提高g-C₃N₄光催化CO₂RR效率的有效手段.然而,g-C₃N₄光催化剂与Ti₃C₂T_x助催化剂多数以2D/2D构型界面耦合,受限于二者界面弱的范德华相互作用、高的界面静电势垒和缓慢的界面电荷转...     

具有电子转移路径的金属化氮化碳选择性再生NADH和光酶偶联CO2还原(英文)

将CO₂转化为燃料和化学品被认为是缓解能源危机的一种有效策略.受自然光合作用的启发,光酶偶联结合了光催化和酶催化的优点,在绿色生物制造中具有较好的应用前景.铑(Rh)络合物是选择性再生还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(M-NADH)的关键介体,其固定化可以提高体系的可持续性,并有效缩短电子传递路径,因而受到广泛关注.本文制备了联吡啶功能化的金属化氮化碳(PCNRhbpy₄),用于光酶偶联催化CO₂还原.首先以双氰胺为前驱体,通过两步退火法制备氮化碳(PCN),再与5,5’-二氨基-2,2’-联吡啶(DABP)进一步热缩合,然后锚定[Cp*RhCl₂]₂获得PCNRhbpy₄,并通过透射电镜、扫描电镜、粉末X射线衍射、紫外可见光吸收光谱、瞬态表面光电压和荧光发射光谱等进行表征.结果表明,合成的PCNRhbpy₄材料具有掺杂石墨烯结构,且通过残余的末端联吡啶结构均匀地固定了Rh络合物.以PCNRhbpy₄作为光催化剂实现了...     

超声辅助制备Cs2AgBiBr6/Bi2WO6 S型异质结用于可见光光催化CO2还原(英文)

光催化因其可以利用太阳能进行光解水产氢、CO₂还原、降解有机污染物及有机物转化而被认为是解决当前能源危机和环境问题的一种有效手段.由于光催化反应是由光激发光催化材料生成光生载流子引发的,因此理想的光催化剂应当具有宽的光响应范围、低的光生载流子复合率和足够的氧化还原能力来进行表面反应.然而单一组分的半导体材料难以同时满足宽光谱响应(即窄带隙)和强氧化还原能力(即价带更正和导带更负).通过耦合两个具有可见光响应且交错能带排布的半导体来构建S型异质结,不仅能拓宽光催化剂的光吸收范围、促进电荷分离,还同时保留了两种半导体的强氧化还原能力,是发展高效光催化材料的一种有效途径.Cs₂AgBiBr₆的导带和价带分别位于-0.65 V vs.NHE和1.60 V vs.NHE,而Bi₂WO₆.的导带和价带分别为-0.4 V vs.NHE和2.4 V vs.NHE,两者能带位置匹配.因此,本文选择Cs₂AgBiBr₆和Bi₂WO<...     

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。     

通过实验和理论验证Pt0/SrTiO3-δ复合催化剂双反应路径促进CO2还原(英文)

在以H₂O为质子源的光催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)过程中,光解H₂O产氢气(H₂)被认为是一个竞争反应.因此,光催化CO₂RR过程需要抑制H₂的产生,以提高碳氢产物的选择性和产率.以CO₂和H₂为反应物的逆水气变换反应(RWGS)是常见的CO₂加氢反应,在较高的温度和催化剂作用下生成CO和H₂O.目前,光催化CO₂RR研究主要聚焦于产物的选择性,而有关光解H₂O产生的还原性气体H₂在光热效应的促进下成为CO₂RR中新的质子源研究较少.光热催化是一种新的高效催化反应方式,在反应过程中需要光照和加热.光照能够促进半导体光生载流子的激发,热效应则能降低反应物分子的活化势垒,并能够促进中间产物的表面迁移以及生成物的脱附.利用光热催化热力学和动力学上的有利条件,为以H₂     

光催化CO2还原为CH4研究进展(英文)

太阳能驱动二氧化碳光催化还原为CH₄是缓解全球变暖和能源危机的有效策略,然而,光催化效率较低以及产物选择性差,严重阻碍其大规模商业化应用。探究光催化CO₂还原反应机理对解决以上问题有重要参考意义,因此本文对光催化CO₂还原为C₁产物的基本原理及路径进行阐述,主要综述提高CO₂光还原效率以及CH₄选择性的方法,如构建异质结、设计结构缺陷、引入单原子催化剂以及其他方法,最后指出CO₂光还原CH₄面临的挑战和发展前景。     

氧空位增强光催化还原CO2性能方面的研究进展

利用太阳能和半导体光催化剂,将CO₂光催化还原转变成碳氢燃料,是缓解温室效应、全球变暖、环境污染和能源危机等一系列问题的理想途径。 本文对氧空位增强的光催化还原CO₂反应机理进行归纳,并分别针对还原产物为C1和C2组分的光催化体系进行概括总结。 作为CO₂光催化还原过程的第一步,CO₂捕获光催化剂导带上的电子生成CO2·-是反应的速控步骤。 氧空位的引入及其带来的金属配位不饱和点,利于CO₂捕获电子生成CO2·-,进而促进CO₂光催化还原过程。 最后,提出当前氧空位增强光催化还原CO₂过程仍然存在的问题,且对发展前景进行展望。     

g-C3N4光催化材料的第一性原理研究

能源短缺和环境恶化是人类社会快速发展面临的重大难题。太阳能作为一种清洁无污染的理想新型能源,具有取之不尽、用之不竭的特点,是实现可持续发展的最佳能源选择。半导体光催化可以直接利用太阳光进行催化反应,得到了广泛关注。作为一种低成本无金属光催化剂,g-C₃N₄具有独特的电子能带结构、优良的化学稳定性和热力学稳定性,在光催化领域如分解水制氢制氧、降解有机污染物、CO₂还原、抗菌和有机官能团选择性转换等方面表现出巨大的应用前景。目前g-C₃N₄光催化剂存在着如比表面积小、可见光利用率低、量子产率低和光生载流子易复合等问题,制约了其在光催化领域的应用。因此,提升g-C₃N₄光催化性能是光催化研究领域的重要课题。第一性原理具有半经验方法不可比拟的优势,已成为光催化研究领域计算和模拟的重要基础。基于密度泛函理论的第一性原理在光催化领域的广泛应用,为有效迅速地探求能够改善g-C₃N₄光催化性能的方法提供了明确的研究手段。本文从理论计算的角度综述了近年来在g-C₃N₄改性方面所取得的一些重要研究进展,主要包括元素掺杂、复合和形貌调控等改性手段。本文以g-C₃N₄改性光催化剂为研究对象,从电子性质、能带结构、光学性质和缺陷形成能的角度阐述了各种改性手段提高光催化活性的微观机理。最后,在总结前文所述各类改性研究的基础上,对g-C₃N₄改性光催化剂未来的发展趋势作出了展望。     

一维/二维W18O49/多孔g-C3N4梯形异质结构建及其光催化析氢性能研究

提高光催化分解水制氢的效率是能量转换领域的关键挑战。本研究首先合成了二维多孔氮化碳(PCN),然后在二维PCN上原位生长了一维W₁₈O₄₉ (WO),形成了一种新型的梯形(S型)异质结。该异质结可以加快界面电荷的分离和转移,赋予WO/PCN体系更好的氧化还原能力。此外,具有多孔结构的PCN提供了更多的催化活性位点。与WO和PCN相比,20% WO/PCN复合材料具有更高的H₂产率(1700 μmol·g^-1·h^-1),是PCN (30 μmol·g^-1·h^-1)的56倍。本研究提供了一种新S型光催化剂用于光催化制氢领域。     

壳聚糖包裹CdSe量子点组装体的水相可见光催化CO2还原

通过壳聚糖(chitosan)中的氨基与MPA-CdSe(MPA=3-巯基丙酸)量子点(QDs)表面Cd²⁺的配位作用, 构建了MPA-CdSe@chitosan组装体. 壳聚糖中丰富的氨基和疏水结构为量子点提供了富CO₂及疏水的微环境, 从而提升了水相光催化CO₂还原效率和选择性. 光催化实验结果表明, 在以抗坏血酸钠(NaHA)为电子牺牲体的条件下, MPA-CdSe@chitosan组装体在水中可将CO₂光催化还原为CO, CO的生成效率和选择性分别比不含壳聚糖的MPA-CdSe QDs体系提升169倍和8.6倍. 用组装体系光催化60 h后, CO的生成效率为73.6 mmol/g(基于量子点质量), 对应的选择性达到51.0%, 具有良好的稳定性.     

TiO2上原子分散的Fe位点促进光催化CO2还原:增强的催化活性、DFT计算和机制洞察(英文)

光催化CO₂高效、环保地转化为高附加值化工产品(CH₄, CO, CH₃OH等),能够有效降低环境污染并且促进资源利用.商用P25(TiO₂)因其具有无毒、化学稳定性和强氧化还原电位而被广泛研究.然而, TiO₂的带隙高达3.0 e V,只有在紫外光激发下才能产生光生载流子,这极大地限制了其在光催化领域的应用.单原子催化剂(SACs)具有金属原子利用率高、选择性高和活性高等优点,可用于精细化工合成、氧还原和污染物降解等催化领域.由于单个原子具有极高的表面自由能,因此如何稳定地保持原子分散,避免原子团聚成为SACs制备和反应过程中的一大挑战.本文通过简单的负压封装后热解方法实现了Fe在TiO₂表面的原子级分散负载,所制备的Fe SA/TiO₂催化剂展现出高效的光催化CO₂还原性能,并且利用多种表征手段及理论计算研究了TiO₂表面Fe位点促进CO₂高效转化的反应机制.扫描透...     

Pt-C3N4/BiOCl S型异质结应用于光催化CO2还原的理论计算研究(英文)

光催化CO₂还原制备可再生的碳氢燃料为缓解温室效应、解决能源短缺问题提供了一个可行的办法。然而,单一组分光催化剂的CO₂还原活性非常低。一是因为光生载流子的快速复合导致光子效率很低。二是因为CO₂的活化需要较高的能垒。对此,研究人员作出了许多改进以提高CO₂还原性能。例如,发展S型异质结可以增强载流子的分离和光催化剂的氧化还原能力,引入金属单原子助催化剂可以优化反应热力学。因此,协同利用S型异质结和金属单原子修饰将能同时促进载流子的转移和CO₂还原反应过程。本文构建了由单原子Pt负载的g-C₃N₄和BiOCl组成的Pt-C₃N₄/BiOCl异质结模型。用密度泛函理论计算研究了其光催化性能,包括几何结构和电子性质的探索、CO₂转化过程的模拟。差分电荷密度结果表明g-C₃N₄中的电子转移至BiOCl,这是由于g-C₃     

光催化还原二氧化碳全反应的研究进展

通过光催化将二氧化碳(CO₂)还原为可持续的绿色太阳能燃料是同时解决环境问题和能源危机的极具前景的方案.尽管迄今为止已经进行了广泛的研究,但实现高转化率、高选择性和高稳定性的光催化二氧化碳还原仍有许多障碍.如将水作为电子供体而非牺牲试剂,能够使反应的吉布斯自由能变ΔG>0,这对于真正实现理想化的人工光合作用至关重要,但同时也会为光催化还原CO₂体系带来更多的挑战.我们首先简要介绍了光催化还原CO₂的机理与挑战,而后根据目前光催化还原CO₂在无牺牲剂体系中出现的问题总结了对应的策略以及最新的研究进展,包括能带结构的调整、助催化剂的负载、异质结的构建、 MOFs与COFs材料的设计等方面,最后对目前仍未解决的问题以及未来实现工业化应用的阻碍进行了总结.     

金属-有机框架基材料在二氧化碳光催化转化中的应用

将大气中的二氧化碳(CO₂)转化为燃料或高附加值化学品是降低大气中CO₂含量、 减缓温室效应的有效途径之一. 光催化CO₂化学转化条件温和, 能耗低, 在CO₂转化中占有重要地位. 金属-有机框架(MOF)基材料由于具有比表面积大、 光电性质优良和可调节性强等特点, 是CO₂光催化转化的常用催化剂之一. 本文综合评述了近两年MOF基材料在光催化CO₂还原反应、 CO₂环加成反应和CO₂羧基化反应中的应用, 阐释了MOF基材料在CO₂光催化转化中的优势和局限性, 并展望了其未来发展.