超临界合成Pt修饰的TiO2用于光催化CO2还原制备太阳能燃料

考察了超临界条件下合成TiO2基光催化剂的性质,尤其是在超临界CO2下得到的分散在TiO2上Pt的特性,并与商品化TiO2性能进行了比较.另外,所得催化剂的光催化活性用CO2光还原制太阳能燃料进行了评价.结果表明,该催化剂可得到具有比商用TiO2更好或类似的性能(高比表面积、结晶度、表面羟基浓度,大的孔容、增强的可见光吸收、高的甲烷生成速率)而用于CO2还原制备燃料的反应中.这可归因于该催化剂超临界介质合成过程.     

仿生多孔MgO-TiO_2合成及其光催化CO_2还原性能（英文）

研究表明,MgO能够活化吸附在其表面的CO_2分子,促进HCO_3~–的生成,而在H原子存在的条件下,HCO_3~–为CO_2光催化还原为碳氢化合物和CO的活性中间体.CO_2为对称的直线型分子,在化学反应中表现出极高的稳定性,成为阻碍人工光合作用发展的重要因素.在设计新型光催化剂时,复合MgO可能会有效提高催化剂的活性.绿色植物的叶片结构或茎中存在大量尺寸不一的多孔结构,以利于植物生命活动(包括光合作用和呼吸作用)过程中气体的有效扩散和水分、营养物质的运输.TiO_2因其良好的化学稳定性、无毒且成本低廉,在人工光合成领域得到广泛的研究.因此,本文以空心菜杆为模板,TiO_2为主体催化剂,应用溶胶-凝胶法,通过调节MgO的含量合成了一系列仿生多孔结构的MgO-TiO_2复合物.样品的X射线衍射、X射线光电子能谱和高分辨透射镜表征结果证明,生物模板空心菜杆在550℃下煅烧5 h之后可被完全移除,且MgNO_3分解为MgO,生成TiO_2-MgO复合物.从扫描电镜中可观察到,以空心菜杆为模板合成的MgO-TiO_2,模板的空心管状结构得以保持,在长度和宽度上有一定程度的皱缩.横截面和纵截面图说明样品很好地复制了空心菜杆的导管和筛管组成的多孔结构.同时N2吸附-脱附结果表明,样品中存在3–5 nm的介孔结构.同时我们发现,由于MgO的加入,0.05%MgO-TiO_2复合物的比表面积比TiO_2减少了18%,之后随着MgO含量的增加,MgO-TiO_2复合物的比表面积呈下降趋势.标准状况下,测试了样品对CO_2的吸附量.结果表明,随MgO含量的升高,吸附量先增加后减小,且MgO-TiO_2复合物的吸附量为TiO_2的1.3–1.8倍.结合样品比表面积及原位红外光谱测试结果,说明样品的CO_2吸附量受MgO的含量与样品的比表面积双重因素的影响.CO_2吸附包括物理吸附和化学吸附,而且对于同种样品,吸附量与样品比表面积正相关.当MgO-TiO_2复合物的比表面积随着MgO含量的增加而减小时,CO_2吸附量却先增加后减小,表明MgO的加入极大地促进了CO_2的化学吸附.以MgO-TiO_2复合物作为光催化剂将CO_2和H2O还原为CH_4.CH_4的总产量随着光照时间的增加而增加,10 h后的总产量随着MgO含量的升高先增加后减少,与样品的CO_2吸附量的变化趋势相似但不完全相同.与TiO_2(6.5μmol/g)相比,MgO-TiO_2复合物样品催化作用下的CH_4的最终产量均增大,活性最好的0.2%MgO-TiO_2(18.7μmol/g)的产量达到了它的2.88倍,说明MgO对CO_2具有活化作用,且活化后的CO_2更容易生成CH_4.综合结果表明,CO_2在催化剂表面的吸附量、电子的表面迁移、反应活性位点等因素共同决定了催化剂的光催化活性.     

光催化CO2还原的超薄层状催化剂

The acceleration of industrialization and the continuous upgradation of consumption structure has increased the atmospheric content of CO₂ far beyond the past levels, leading to a serious global environmental problem. Photocatalytic reduction of CO₂ is one of the most promising methods to solve the problem of rising atmospheric CO₂ content. The core of this technology is to develop efficient, environment-friendly, and affordable photocatalysts. A photocatalyst is a semiconductor that can absorb photons from sunlight and produce electron-hole pairs to initiate a redox reaction. Owing to their low specific surface areas, significant electron-hole recombination, and less surface-active sites, bulk photocatalysts are not satisfactory. Ultrathin layered materials have shown great potential for photocatalytic CO₂ reduction owing to their characteristics of large specific surface area, a large number of low-coordination surface atoms, short transfer distance from the inside to the catalyst surface, along with other advantages. Photoexcited electrons only need to cover a short distance to transfer to the nanowafer surface, and the speed of migrating electrons on the nanowafer surface is much higher than that in the layers or in the bulk catalyst. The ultrathin structure leads to significant coordinative unsaturation and even vacancy defects in the lattice structure of the atoms; while the former can be used as active sites for CO₂ adsorption and reaction, the latter can improve the separation of the electron-hole pair. This review summarizes the latest developments in ultrathin layered photocatalysts for CO₂ reduction. First, the photocatalytic reduction mechanism of CO₂ is introduced briefly, and the factors governing product selectivity are explained. Second, the existing catalysts, such as g-C₃N₄, black phosphorus (BP), graphene oxide (GO), metal oxide, transition metal dichalcogenides (TMDCs), perovskite, BiOX (X = Cl, Br, I), layered double hydroxide (LDH), 2D-MOF, MXene, and two-dimensional honeycomb-like Ge―Si alloy compounds (gersiloxenes), are classified. In addition, the prevalent preparation methods are summarized, including mechanical stripping, gas stripping, liquid stripping, chemical etching, chemical vapor deposition (CVD), template method, self-assembly of surfactant, and the intermediate precursor method of lamellar Bi-oleate complex. Finally, we introduced the strategy of improving photocatalyst performance on the premise of maintaining its layered structure, including the factors of thickness adjustment, doping, structural defects, composite, etc. The future opportunities and challenges of ultrathin layered photocatalysts for the reduction of carbon dioxide have also been proposed.     

载钯TiO2半导体悬浮催化体系中CO2的光还原

在半导体光催化还原CO₂的反应过程中,一般都伴有氢气的产生^[1,2].为了提高CO₂还原产物的收率,必须设法抑制析氢过程。在催化剂表面担载某种吸氢物质是抑制氢气产生的有效方法之一。理想的吸氢物质不仅能吸附氢,且被其吸附的氢还具有还原CO₂的能力。     

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。     

多孔TiO2的合成条件对其光催化性能的影响

利用微波辅助水热法,以十八胺作为软模板合成了多孔TiO2;对多孔的TiO2进行XRD、N2吸附脱咐等温曲线、比表面积的表征.研究了超声波的能量、温度、硝酸的浓度对多孔结构形成的影响;并以甲苯为目标污染物,考察了合成的多孔TiO2在紫外光下的光催化活性.结果表明,多孔TiO2的光催化活性要比无孔道结构的TiO2的光催化活性高.     

CuO/BiVO4光催化剂的制备及光催化CO2还原性能

基于类十面体钒酸铋(BiVO₄)和氧化铜(CuO)纳米颗粒, 构筑了CuO/BiVO₄异质结光催化剂; 利用X射线衍射仪(XRD)、 X射线光电子能谱仪(XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)、 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、 光电流响应谱(I-t)、 电化学阻抗谱(EIS)和荧光发射光谱(PL)对催化剂的形貌、 结构和光电性能进行了表征和分析. 结果表明, CuO纳米颗粒均匀地负载在BiVO₄的表面, 通过控制铜源的用量可以调节CuO的含量, 其含量对CuO/ BiVO₄异质结的可见光吸收能力和光生载流子的分离效率有很大的影响. 在气固反应体系下, 对CuO/BiVO₄异质结的光催化还原CO₂的性能进行了研究. 结果显示, 光催化还原CO₂的主要产物为CO和CH₄; 随着CuO含量的增加, CO的产率逐渐降低, 而CH₄的产率先增加后降低, 最优化催化剂CuO/BiVO₄的CO和CH₄的产率分别为0.62和1.81 μmol·g^-1·h^-1, 对CH₄的选择性达到最大值(93%). 能带结构分析和电子顺磁共振(EPR)测试结果表明, CuO/BiVO₄中光生电荷的转移符合Z型转移机制. Z型异质结构的形成, 促进了光生电子和空穴的分离, 提升了催化体系的氧化还原能力.     

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.     

利用TiO2/SO42-光触媒催化还原CO2之参数影响与反应路径探讨

将改良式溶胶-凝胶法制备的酸性触媒TiO2/SO24-涂布于不锈钢网上,并利用自行设计之批次式光催化反应器,在三组近紫外灯管(波长为365nm,光强度为2.0mW/cm2)照射下,进行CO2光催化还原反应操作参数(还原剂种类、CO2初始浓度和反应温度)之影响研究.结果显示,使用氢气为还原剂可获得最高的光催化还原速率,光还原反应之主要气态产物为CO和甲烷,其次为微量的乙烯与乙烷.同时,光催化还原速率亦随着CO2初始浓度及反应温度的提高而增加.FT-IR光谱分析发现,TiO2/SO42-光触媒表面有甲酸、甲醇、碳酸盐、甲酸盐及甲酸甲酯等产物之存在.TiO2/SO42-光触媒催化还原CO2有两种可能反应路径,其中一种反应路径生成CO,CH4,C2H4及C2H6等气态产物;而另一种反应路径则生成CO23a-ds,CH3OHads,HCOOa-ds,HCOOHads,HCOHads与HCOOCH3ads等吸附在光触媒表面的产物.     

以花瓣为模板制备TiO2分层介孔纳米片

以月季花花瓣为模板, 经钛盐溶液浸渍后煅烧, 合成了新型TiO2 分层介孔纳米片. 采用X射线衍射(XRD)、 场发射扫描电子显微镜(FESEM)、 环境扫描电子显微镜(ESEM)、 透射电子显微镜(TEM)、 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis/DRS)和氮气吸附-脱附曲线分析等手段对样品进行了表征. 结果表明, 所得样品由厚度约4 nm的具有生物形态结构的锐钛矿型TiO2 纳米片组成. TiO2 薄层表面存在大量介孔, 其孔径集中分布于4 nm左右. 由紫外-可见漫反射吸收光谱可知, 材料的吸收边较纳米TiO2 (P25)红移了约20 nm, 因而具有更高的可见光光催化活性. TiO2 分层介孔纳米片在阳光下表现出较强的光催化活性, 在90 min内对亚甲基蓝的降解率可达98%, 远高于TiO2 纳米粉.     

Perovskites-like composites for CO2 photoreduction into hydrocarbon fuels

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Promoting Effects of Iron on CO Oxidation over Au/TiO2 Supported Au Nanoparticles

Fe-doped TiO₂ supported gold nanoparticles as high-performance CO oxidation catalysts were prepared. XRD data revealed that TiO₂ support was in an anatase phase. After calcination at 300℃, the sample showed nanotube structure, and the size of gold nanoparticles was 3.1 nm. When calcined at 500℃, most nanotubes broke, and gold nanoparticles grew up to 5.9 nm. XPS spectrum indicated the presence of Fe in the +3 oxidation state. Au/Fe-TiO₂(Au:1.44%, Fe:1.35%) calcined at 300℃ possessed the best catalytic activity, and it could completely convert CO at 25℃. The temperature of 100% CO conversion(T_100%) of Fe-free catalyst was 40℃. After the catalysts were stored at room temperature for 7 d, T_100% of Au/Fe-TiO₂ increased from 25℃ to 30℃, while T_100% of Fe-free catalyst increased from 40℃ to 80℃. The catalytic activity and storage stability of Au/TiO₂ could be improved by Fe-doping. The increase of specific surface area, generation of oxygen vacancies and new adsorption sites, depression of the growth of gold nanoparticles, and strong metal-support interaction were responsible for the promoting effect of iron on the catalytic performance of Au/TiO₂ for CO oxidation.     

Synthesis of ZnO and TiO2 nanoparticles

We report on the synthesis of ZnO and TiO₂ nanoparticles by solution-phase methods, with a particular focus on the influence of experimental parameters on the kinetics of nucleation and coarsening. The nucleation rate of ZnO from the reaction between ZnCl₂ and NaOH in ethanol was found to increase with increasing precursor concentration, while the coarsening rate is independent of precursor concentration up to a threshold concentration. The nucleation rate of ZnO from Zn(OOC-CH₃)₂ and NaOH in n-alkanols was found to decrease with decreasing chain length, which is explained by the increase of the dielectric constant of the solvent. Due to the larger solubility of ZnO, nucleation is significantly slower than that observed in the case of TiO₂. TiO₂ nanoparticles coarsen according to the Lifshitz-Slyozov-Wagner model for Ostwald ripening. We also show that using amorphous titania as a base material, pure anatase and brookite nanoparticles can be synthesized.     

CNT/Fe-Ni/TiO_2/ZnO阵列修饰Ni阳极的制备及光催化制氢性能

采用层层自组装方法在Ni片阳极上构建TiO2/Zn O纳米棒阵列,以二氧化钛前驱体溶胶中掺杂的铁和镍为催化剂,通过气相沉积法在TiO2/Zn O纳米棒阵列间原位生长碳纳米管(CNTs),得到CNT/Fe-Ni/TiO2/Zn O复合光催化剂修饰的光活性Ni片阳极.以碱性电解池为基础,用紫外线辐照修饰的Ni阳极实现光催化和电解水的有机耦合制氢过程.通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)和电化学阻抗谱(EIS)对CNT/Fe-Ni/TiO2/Zn O复合膜光催化剂的结构进行了表征,并测试了其光催化辅助电解水制氢(WEAP)活性.结果表明,生长了碳纳米管的光催化复合膜CNT/Fe-Ni/TiO2/Zn O修饰的Ni阳极的产氢速率分别比Fe-Ni/TiO2/Zn O修饰的Ni阳极和纯Ni片提高了93.7%和533.0%.     

Au/TiO2催化剂上非催化CO氧化反应中活性氧物种的生成和消除

在定量的瞬时产物分析(TAP)反应器中,于80 oC下采用CO脉冲和O2脉冲补充等方法,研究了高温(400 oC)焙烧的Au/TiO2催化剂上活性氧物种的移除反应活性,特别是活性氧物种的性质。以往的研究大多关注的是CO催化氧化反应中活性氧物种及其性质,在典型的反应条件下该物种的形成和消除是可逆的;而本研究表明,催化剂直接焙烧后就存在额外的氧物种;该物种对CO氧化反应也具有活性,但其在典型的反应条件下不生成或生成很少。基于此,讨论了Au/TiO2催化剂上CO氧化反应的机理,特别是不同活性氧物种的作用。     

Preparation of High-Orderly TiO2 Nanotubes in Organic Solution and Characterization of C-doped TiO2

"High-orderly TiO2 nanotube arrays were fabricated by anodic oxidation of pure titanium substrate in organic electrolyte containing fluoride. Different morphological nanotubes of titania were obtained through controlling the different anodization voltages and durations. The length of the longest nanotubes was approximately 60 1m and the length-to-width aspect ratio was about 600. The nanotube layers were then annealed at different temperatures (450, 550, and 650 oC) in air for 2 h. The samples were characterized by scanning electron microscopy, X-ray diffraction (XRD), energy dispersive X-Ray (EDS) and UV-Vis spectrometer. The XRD results demonstrated that the as-anodized samples were amorphous and the structure changed to antanse and rutile when the samples were annealed at higher temperature. The EDS microanalysis indicated the presence of carbon in the TiO2 nanotubes. The result of degradation of methylene blue showed clearly that the photocatalytic activity of C-doped TiO2 nanotubes increased by 10%."     

碱金属助剂对CoCu/TiO2催化剂上二氧化碳加氢合成长链烃的影响

大气中CO2浓度增加导致的温室效应以及化石燃料的匮乏正日益受到世界范围的关注. 由于CO2较强的惰性以及较高 C-C 偶联能垒, 迄今为止大部分研究都集中在CO2催化加氢制备各种 C1 化学品 (如 CH4, CH3OH, CO 等), 鲜有研究关注合成液态燃料 (C5+碳氢化合物). 目前,CO2加氢直接合成烃类主要通过CO2基费托合成反应 (CO2-FTS) 实现, 即先通过逆水煤气变换反应 (RWGS) 将CO2还原成 CO, 随后 CO 通过传统费托反应 (FTS) 加氢生成烃类化合物. 在两种工业化FTS 催化剂 (Fe 和 Co 基催化剂) 中, 钴基催化剂具有更高的反应活性和链增长能力, 以及较高的机械强度和稳定性. 然而,由于CO2的惰性, 造成催化剂表面物种的加氢程度更高, 使得甲烷更容易生成. 因而, 高反应活性、高选择性催化剂的开发是实现该过程的关键.本文采用沉积沉淀法制备了一系列双金属 CoCu/TiO2催化剂, 再通过初湿浸渍法对其进行碱金属助剂 (Li, Na, K, Rb和 Cs) 改性, 并用多种表征手段系统研究了碱金属助剂对催化剂物化性质及其催化CO2加氢制备长链烃反应的影响. 结果表明, 碱金属的加入对催化剂织构性质影响不大, 它们在催化剂表面发生富集, 且富集程度随碱金属原子序数的增加而降低. 另外, 碱金属的加入增强了CO2的吸附, 其中, Na 改性的 CoCu/TiO2催化剂的碱性最强; 同时还降低了 H2的脱附量,尤以 K, Rb 和 Cs 改性的催化剂为甚.在 250 oC, 5 MPa, 空速 3000 mL·gcat-1·h-1和 H2/CO2= 3 的反应条件下, 对不同碱金属助剂改性的催化剂进行评价. 结果表明, 不加助剂的 CoCu/TiO2催化剂上CO2转化率高达 23.1%, 但产物主要是 CH4, 此时CO2在 Co 活性中心上直接发生甲烷化反应; 碱金属助剂的引入显著抑制了 CH4的生成, 提高了长链烃的选择性, 但同时也降低了CO2转化率, 并且随着碱金属原子序数增大呈现先下降后上升的趋势, 表明合适的碱性强度可以更好地改性催化剂性能. 其中, Na 助剂改性的CoCu/TiO2催化剂的碱性最强, 且 H2的脱附量降低幅度较小, 因此, 该催化剂具有最高的 C5+烃类收率, 达到 5.4%; 同时CO2转化率为 18.4%, 烃类产物中 C5+烃类选择性为 42.1%. Na 助剂改性的 CoCu/TiO2催化剂还展现了良好的催化稳定性,反应 200 h 后,CO2转化率和 C5+选择性分别保持 18% 和 40%. 基于碱金属助剂对催化剂物化性质与反应性能的调变规律,可进一步指导CO2加氢直接合成长链碳催化剂的设计与合成.     

MgO和Au纳米颗粒共修饰g-C3N4光催化剂增强CO2-H2O光催化反应过程

光催化CO2还原制备太阳燃料被广泛关注并逐渐形成研究热点,该过程利用可再生清洁能源太阳能,在低温低压的温和条件下驱动CO2还原制备CO、CH4、CH3OH等燃料气体或者高附加值的碳氢化合物.半导体光催化剂能够将清洁的太阳能有效地转化为化学能,其中,g-C3N4由于其成本低、毒性低、稳定性高和带隙窄等优点,被广泛应用于光...