仿生多孔 MgO-TiO2合成及其光催化 CO2还原性能

研究表明, MgO能够活化吸附在其表面的 CO2分子,促进 HCO3–的生成,而在 H原子存在的条件下, HCO3–为 CO2光催化还原为碳氢化合物和 CO的活性中间体. CO2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. TiO2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, TiO2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-TiO2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550oC下煅烧5 h之后可被完全移除,且 MgNO3分解为 MgO,生成 TiO2-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-TiO2,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-TiO2复合物的比表面积比 TiO2减少了18%,之后随着 MgO含量的增加, MgO-TiO2复合物的比表面积呈下降趋势.标准状况下,测试了样品对 CO2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-TiO2复合物的吸附量为 TiO2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 CO2吸附量受 MgO的含量与样品的比表面积双重因素的影响. CO2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-TiO2复合物的比表面积随着 MgO含量的增加而减小时, CO2吸附量却先增加后减小,表明 MgO的加入极大地促进了 CO2的化学吸附.以 MgO-TiO2复合物作为光催化剂将 CO2和 H2O还原为 CH4. CH4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 CO2吸附量的变化趋势相似但不完全相同.与 TiO2(6.5μmol/g)相比, MgO-TiO2复合物样品催化作用下的 CH4的最终产量均增大,活性最好的0.2% MgO-TiO2(18.7μmol/g)的产量达到了它的2.88倍,说明 MgO对 CO2具有活化作用,且活化后的 CO2更容易生成 CH4.综合结果表明, CO2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.

Synthesis of bionic-macro/microporous MgO-modified TiO2 for enhanced CO2 photoreduction into hydrocarbon fuels

The stems of water convolvulus were employed as biotemplates for the replication of their opti‐mized 3D hierarchical architecture to synthesize porous MgO‐modified TiO2. The photocatalytic reduction of CO2 with H2O vapor into hydrocarbon fuel was studied with these MgO‐TiO2 nanostructures as the photocatalysts with the benefits of improved CO2 adsorption and activation through incorporated MgO. Various factors involving CO2 adsorption capacity, migration of charge carriers to the surface, and the number of activity sites, which depend on the amount of added MgO, determine the photocatalytic conversion efficiency.