可见光驱动丰产金属卟啉类配合物催化的二氧化碳选择性还原反应

随着能源短缺和环境问题日益突出, 寻找清洁和可再生能源来替代化石燃料是本世纪科学家面临的最紧迫的任务之一. 为了实现我国“双碳”战略目标, 利用太阳能将二氧化碳(CO₂)转化为清洁燃料和化学品是实现社会可持续发展的途径之一. 催化剂是CO₂光还原技术的核心组成部分, 其可以吸附气态CO₂分子, 在可见光照射下将CO₂还原为一氧化碳(CO)、 甲酸(HCOOH)、 甲醇(CH₃OH)或甲烷(CH₄)等能源小分子. 目前, 新型CO₂还原光催化体系的开发取得了很好的进展. 本文综合评述了近年来均相及非均相丰产金属卟啉类催化剂在光催化CO₂还原中的研究进展, 并对在金属卟啉均相催化剂作用下, CO₂光还原为CO或CH₄的反应机理分别进行了介绍, 还讨论了金属卟啉基多孔有机聚合物与卟啉有机金属框架在光催化CO₂方面的重要应用. 最后, 对可见光驱动卟啉类金属配合物催化的CO₂还原的发展前景进行了展望.     

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。     

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.     

铜锡改性纳米二氧化钛光催化氧化还原性能的研究

在复合半导体基础上,采用超声浸渍法对催化剂表面作进一步铜改性,制备了铜锡改性的纳米二氧化钛光催化剂CuO_x-SnO₂/TiO₂,考察了表面铜改性、二氧化锡复合对催化剂光催化氧化还原性能的影响.结果表明,表面铜改性和复合都有利于提高催化剂光催化氧化还原能力,二者间表现出相互增强的作用.结合XRD、XPS、TEM等催化剂表征结果,对铜锡改性纳米二氧化钛光激发机制进行了讨论,提出了二氧化碳光催化还原的可能机制.     

光激发电荷在光催化氧化还原反应中的全利用（英文）

光催化转化CO₂为碳氢燃料，分解水产氢，选择性有机合成，还原N₂为NH₃，降解毒害的有机污染物等对解决能源环境问题有重要意义。早在1972年，研究者利用TiO₂通过光催化实现了全面分解水产氢和产氧。由于低的可见光利用率，严重的载流子复合和过高的水氧化能垒导致光催化全面水分解的效率极低。由于氢相对于氧更具有经济价值，因此牺牲剂辅助的光催化产氢被大量研究。由于牺牲剂可以快速的消耗光生空穴，有效降低了氧化端的能垒，光催化产氢的效率相比于光催化水分解的效率提高了3–4个量级。然而，牺牲剂的使用不仅导致了光生空穴的浪费，成本的提高，还导致了潜在的环境问题。近些年，研究者通过将光催化还原反应和光催化氧化反应结合在一起实现了电子空穴的全面利用，并改进了氧化和还原的效率。同时，电子空穴的全面利用也有效的促进了电荷的分离并提高了催化剂的稳定性。然而，由于全面氧化还原的设计难度大，反应过程复杂，因此光催化全面氧化还原的机理尚不够明确，仍然需要大量的探索。在这篇综述中，首先从光捕获、光激发电荷分离、氧化还原反应的热力学和...     

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。     

单原子催化剂在光催化二氧化碳还原中的研究进展

通过光催化技术将二氧化碳转化成增值的含碳化学品或燃料是解决能源危机和温室效应的一种可持续性方法. 开发高效、 廉价及高稳定性的光催化剂是提高光催化二氧化碳还原(CO₂RR)效率所面临的一大挑战. 单原子催化剂由于具有原子利用率高及电子环境可调等特性而在催化领域被广泛研究. 在光催化二氧化碳还原中, 金属单原子的加入不仅可调节光催化剂的能带结构及吸光性能等物理性质, 还可以有效提高其光生电荷转移效率, 并为研究光催化反应机理提供理想的平台. 近年来, 单原子光催化剂在二氧化碳还原领域的研究发展迅速. 本文综合评述了单原子催化剂在光还原二氧化碳反应中的研究进展, 介绍了不同载体的单原子催化剂的典型研究成果, 并展望了未来的研究趋势.     

构建0D/1D Ag3PO4/TiO2S型异质结以实现高效光降解和析氧(英文)

化石燃料的大量使用使人类面临前所未有的能源枯竭与环境污染问题,因此,寻求和发展可持续能源与技术迫在眉睫.光催化过程利用催化剂捕获光子将太阳能转化成各种能源与化学品,是一种极具潜力的绿色可持续技术.理性设计高效的捕光材料与催化体系是实现高效太阳能利用与转化的有效策略.而光催化剂的效率主要受制于电荷分离效率低、氧化还原能力不足等缺陷.在众多提高光催化效率的策略中,异质结光催化剂的构建是解决以上问题的有效途径.与传统的Ⅱ型异质结光催化剂相比,阶梯(S)型异质结在氧化型和还原型半导体之间构筑了内建电场,动力学上加速了光生载流子的分离、迁移并且保留催化剂最高的氧化还原能力,成为一类极具应用潜力的异质结催化剂.本文通过简单的水热法将Ag3PO₄纳米颗粒原位生长在TiO₂纤维表面,制备了0D/1D Ag₃PO₄/TiO₂S型异质结.两者之间通过构筑紧密的界面接触有效降低了光生载流子的传输障碍,促进了界面电荷转移,从而在光催化产氧和光分解罗丹明B、苯酚和盐酸四环素方面表现出优异的活性和光稳定性...     

金属-有机框架材料在光催化二氧化碳还原中的应用

CO₂的过度排放导致全球环境问题日益严重,如何将CO₂有效地利用起来成为全世界的研究热点。相比于高耗能的CO₂捕获和储存(CCS)技术,通过催化反应将CO₂转化为有价值的能源燃料是同时解决能源危机和环境问题的有效途径。其中,使用太阳能作为能量来源的光催化CO₂还原技术更具应用前景。但是目前CO₂光还原催化剂仍然存在很多缺点,如可见光响应能力低、光生电子空穴对复合严重、CO₂吸附量小、产物的选择性低以及在含水环境中的产氢竞争反应等。金属-有机框架(MOFs)是由金属离子/簇和有机配体构成的一类独特的多孔晶态材料,具有可调的多孔结构、电子迁移速度快、CO₂吸附量大等优点,在光催化CO₂还原领域具有广阔的应用潜力。现有方法主要是通过对MOFs的功能化修饰、与其他功能型材料复合等获得高效的光还原CO₂的催化性能。本文主要对近年来MOFs基CO₂光还原催化剂(单一MOFs、MOFs基复合材料以及MOFs衍生材料)的研究现状进行了分析和讨论,并对MOFs材料在光催化CO₂还原中的发展趋势进行了展望。     

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.     

金属纳米材料的相工程助力高效二氧化碳电还原

<正>电化学还原二氧化碳(CO₂)可将温室气体转化为高附加值的碳基燃料和化学品,为解决能源与环境危机提供了一种可持续途径^1–3。金属纳米材料是电还原CO₂的一类高效催化剂,具有广阔的应用前景。例如,金(Au)基纳米材料是常用的制备一氧化碳(CO)产物的电催化剂~4,而铜(Cu)基纳米材料则可以将CO₂转化为多种碳氢产物~5。     

理论设计和实验研究吡啶掺杂聚合氮化碳提升光催化CO2还原性能(英文)

光催化CO₂还原是利用太阳光和水将CO₂转化为高价值化学品或燃料(如CO、甲醇、甲烷等),被认为是解决CO₂问题的理想途径之一.CO₂分子中C=O离解能高而活化困难,且光催化CO₂还原涉及多质子耦合多电子转移过程且产物多样,因而研制效率高且选择性好的光催化剂是该技术的关键.聚合物氮化碳(PCN)作为一种结构可调的有机光催化剂,具有化学稳定性好且能带位置适宜于还原CO₂的优势,是一种具有发展潜力的CO₂还原光催化剂;但是PCN也存在因其禁带宽度较大而对可见光响应范围有限以及因其结构由三均三嗪单元构成而缺乏足够活性位点来吸附和活化CO₂等不足.目前在提升PCN的光催化CO₂还原性能方面已有不少研究,但所得的PCN基光催化剂在效率和选择性上仍处于较低水平.考虑到光催化CO₂还原涉及复杂的热力学和动力学要求,对基于PCN的光催化剂进行精准设计和研究是非常必要的,这有望获得同时具...     

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.     

氧化还原刻蚀铜表面对二氧化碳电催化还原性能的研究

大规模化石燃料的使用排放了大量的二氧化碳（CO₂）,导致环境中二氧化碳的含量急剧增加. 为了降低大气中二氧化碳的含量,以电催化的方法将二氧化碳转化为有用的化工原料和燃料是解决能源和环境问题的重要途径. 本文主要利用氧化还原刻蚀法,在铜表面形成复合纳米结构,用于二氧化碳的电催化还原反应研究. 首先,作者通过一定浓度的三氯化铁（FeCl₃）溶液与铜片的氧化还原反应,在刻蚀铜表面时形成具有立方体结构的氯化亚铜纳米材料,用于二氧化碳的电催化还原反应. 为了研究反应时间对催化性能的影响,作者通过改变反应时间（1、2、3和4 h）合成了不同结构的铜基催化剂. 研究发现,在反应3 h后,Cu-3h催化剂对二氧化碳的电催化还原具有较小的起始电压（-0.3 V vs. RHE）和较大的电流密度值,表现出了较强的还原能力. 经检测,所得到主要还原产物为一氧化碳（CO）和甲烷（CH₄）. 在-0.6 V时,二氧化碳催化还原的法拉第效率可达到60%,表明以氧化还原法刻蚀铜表面具有较好的改善二氧化碳电催化还原的能力.     

金属卤化物钙钛矿光催化的研究进展

太阳能驱动光催化反应降解污染物、制备化学燃料或其他高附加值产品是绿色化学和可再生能源研究的重要方向.近年来,在传统的金属氧化物半导体材料之外,金属卤化物钙钛矿类化合物凭借其优异的光电特性也被逐步应用于高效光催化反应中.这篇文章综述了以铅卤钙钛矿为主的金属卤化物钙钛矿材料近年来在光催化领域的研究进展,总结了金属卤化物钙钛矿材料在光（电）催化产氢、CO₂还原反应和有机物高附加值转化反应中的应用与反应机制及其关键挑战,最后展望了高效稳定的金属卤化物钙钛矿光催化剂的发展方向和前景.     

类石墨相C3N4光催化剂改性研究

半导体光催化技术不仅可以将太阳能转化为化学能,还可以直接降解和矿化有机污染物,因此其在抑制环境污染和解决能源短缺方面具有广阔的应用前景。类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)具有独特的电子能带结构、优异的热稳定性以及化学稳定性,因此g-C₃N₄作为一种廉价的无金属光催化剂被广泛应用于光解水制氢产氧、污染物降解、光催化CO₂还原、抗菌和有机官能团选择性转换等领域。然而,传统热缩聚法合成的g-C₃N₄光催化剂比表面积小、禁带宽度大、光生电子-空穴易于复合、光生载流子传输慢,抑制了其光催化活性。为了进一步提高g-C₃N₄的光催化活性,出现了多种改性方法。本文针对g-C₃N₄光催化剂的改性研究,综述了近年来国内外在g-C₃N₄光催化剂改性方面的重要研究进展,如采用模板法优化g-C₃N₄的纳米结构、元素掺杂及共聚合调控g-C₃N₄的能带结构、贵金属沉积或半导体复合提高光生载流子分离效率等。最后,本文还展望了g-C₃N₄光催化剂在改性方面的未来发展趋势。     

表面组装钴物种同时促进Cd0.9Zn0.1S光催化剂的界面电荷分离和表面反应

利用人工光合成将太阳能转化为化学燃料是太阳能利用的重要途径,具有广阔的应用前景,其中,太阳能光催化分解水制氢是最为关键的反应之一.但是,大多数半导体光催化材料面临着光生电荷分离困难和表面催化反应速率慢等挑战.本文以具有可见光响应的半导体光催化剂Cd_0.9Zn_0.1S(CZS)纳米棒为研究模型,利用水热法成功在其表面上均匀地组装氧化钴物种(CoO_x),构建了多级异质结构CZS@CoO_x.扫描电子显微镜和透射电子显微镜显示,表面组装的CoO_x物种均匀地覆盖在CZS纳米棒的整个表面上,形成了有序的CZS@CoO_x核壳多级异质结构.高分辨率透射电子显微镜进一步确认了氧化钴晶格间距与六方CZS的(002)晶面高度匹配,利于光生电荷在界面的分离和转移.稳态荧光光谱测试表明,与物理混合的样本相比,CZS@CoO_x多级异质结构表现出明显降低的荧光强度,说明多级异质结构能有效促进光生电子-空穴对的分离.时间分辨荧光光谱结果显示,CZS@CoO_x多级异质结构的平均光生电荷寿命明显增长,进一步确认了多级异质结构对光生电荷分离的作用.此外,电化学开路电位测量显示,增强的开路电压响应归因于多级异质结构CZS@CoO_x中致密的界面接触.电化学阻抗谱进一步确认,与没有形成致密界面结构的CZS-CoO_x和CZS/CoO_x相比,多级异质结构CZS@CoO_x的电荷转移电阻大幅度降低,从而确保了更快的界面电荷分离和转移.最后对CZS@CoO_x多级异质结构的光催化产氢活性进行了评价,发现其光催化产氢的性能远高于贵金属Pt/CZS光催化剂;进一步测量了CZS@CoO_x的表观量子效率,在420 nm处光催化产氢的表观量子效率为20%.此外,在多级异质结构CZS@CoO_x上进一步引入Pt助催化剂,可将表观量子效率进一步提升至37%.本文报道的这一简易可行的表面组装构建多级异质结构的策略有望在太阳能光催化领域发挥重要作用.     

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。     

二氧化碳电还原为甲烷的研究进展（英文）

通过电化学手段将CO₂转化为高附加值的化学品和燃料是缓解能源短缺与环境危机的一种重要方法.在电还原过程制备的所有含碳产物中, CH₄拥有最高的热值(56 k J/g),是最重要的化学键能储备载体之一.本文以先前报道的反应机理为出发点,从催化剂设计策略的角度总结了CO₂电还原制CH₄的最新研究进展.催化剂设计策略包括亚纳米催化位点构筑、界面调控、原位结构演变以及串联催化剂构筑.基于已有的理论预测与实验结果,获取对制备CH₄反应机理更深层次的理解,进而反馈指导高效催化剂的设计合成.亚纳米催化位点构筑可有效抑制反应过程中的C-C偶联,进而提升CO₂电还原制CH₄的催化性能.界面调控利用活性相与衬底间的协同作用,可优化含氧中间体的结合能,确保反应按预期路径进行.原位结构演变可构建热力学稳定的活性相,进而增强CO₂电还原制CH₄的催化活性.串联催化通过构筑多种活性位点将总包反应分为不同阶段,可有效打破...     

1D/2D TiO2/ZnIn2S4S型异质结光催化剂及其高效制氢性能

通过半导体催化剂利用太阳能分解水制氢被认为是解决人类面临的环境问题和能源危机的有效途径.在众多的半导体光催化剂中,TiO₂由于其良好的光化学稳定性、无毒性、丰富的形貌以及低廉的价格,在光催化制氢领域备受关注.然而TiO₂的内在缺陷,如较宽的带隙、较窄的光响应范围,光生电子空穴对的快速复合,极大限制了其太阳能制氢效率.构建异质结结构被认为是解决以上问题的一个有效方法,通过将TiO₂与另一个半导体复合可以提升催化剂对太阳光的吸收范围,也可降低光生电子空穴对的复合速率.但构建一个成功的异质结结构不仅要满足上述的要求,还需要保留异质结催化剂体系中光生电子和空穴的氧化还原能力.研究表明,S型异质结是将两个具有合适能带结构的半导体进行耦合,由于费米能级的差异,两个半导体间将发生电子转移,从而引起能带弯曲并形成内建电场.光照条件下,具有较弱还原能力的光生电子在内建电场和能带弯曲的作用下与较弱氧化能力的光生空穴复合,实现异质结催化剂体系中各个半导体内部光生载流子有效分离的目标,同时保留了异质结催化剂体系中较强氧化能力和较强还原能力的光生电子和空穴,进而实现光催化活性的提高.本文采用水热合成方法,将具有更强还原能力和可见光响应特性的半导体(ZnIn₂S₄)原位生长在TiO₂纳米纤维表面,构建了1D/2DTiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂.最优比例的TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料表现出优越的光催化制氢活性(6.03mmol/h/g),分别是纯TiO₂和纯ZnIn₂S₄制氢活性的3.7倍和2倍.TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料光催化活性的提高可以归因于紧密的异质结界面、光生载流子的有效分离、丰富的反应活性位点以及增强的光吸收能力.通过原位XPS和DFT计算研究了异质结内部光生电子的转移机制.结果表明,在光照条件下电子由TiO₂向ZnIn₂S₄迁移,遵循了S型异质结内部电子的转移机制,实现了TiO₂和ZnIn₂S₄内部光生载流子的有效分离,同时保留了具有较强还原能力的ZnIn₂S₄价带电子和较强氧化能力的TiO₂导带空穴,从而显著提升光催化制氢效率.综上,本文制备的TiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂很好地克服了TiO₂在光催化制氢领域所面临的诸多障碍,为设计和制备高效异质结光催化剂提供了新的思路.