低真空下的高效光催化二氧化碳還原反應

1. 文章信息

標題：High-efficiency photoreduction of CO2 in a low vacuum

中文標題： 低真空下的高效光催化二氧化碳還原反應

頁(yè)碼：15389-15396

DOI：10.1039/d2cp00269h

2. 期刊信息

期刊名：Physical Chemistry Chemical Physics

ISSN：1463-9084

2021年影響因子：3.945

分區信息： 二區TOP（升級版）

涉及研究方向： 物理化學(xué)、化學(xué)物理、生物物理化學(xué)

3. 作者信息：第一作者是 Yuxin Liu (劉鈺鑫) 。通訊作者為  Shuai Kang (康帥)、Zhuofeng Hu (胡卓鋒)、Wenqiang Lu (陸文強)。

4.實(shí)驗儀器：CEL-SPH2N/PAEM

文章簡(jiǎn)介：

利用太陽(yáng)光進(jìn)行光催化反應制備綠色清潔能源是非常誘人的技術(shù)。加之，如今人們依賴(lài)化石能源給大氣中排放了過(guò)多的CO2。將CO2在光的作用下轉換成可燃燒的CO、CH4或者其他碳氫化合物是一個(gè)兩全其美的方法。CO2是一個(gè)很穩定的分子，許多研究關(guān)注制備高效、穩定的光催化劑來(lái)提高CO2還原性能，這些研究主要通過(guò)擴展光響應范圍、加快電荷輸運、增加活性位點(diǎn)、選擇性吸附CO2等。但是，光催化CO2反應目前面臨的一個(gè)大問(wèn)題是，不管用哪種催化劑，反應的產(chǎn)物還是太少，不能在現實(shí)中實(shí)施。然而，反應中CO2的實(shí)際用量很少，每克催化劑每小時(shí)大約只用毫摩爾級的CO2，但是絕大部分研究在大氣壓下純二氧化碳中進(jìn)行。我們認為，在合適的CO2含量中研究CO2還原反應是很有意義的。因此，我們用常規TiO2作為光催化劑，在低真空下研究了光催化CO2的反應效率。

如下圖1，實(shí)驗表明低真空氣氛有助于提高光催化CO2反應性能。在低濃度CO2（10%）中，低真空下反應的CH4產(chǎn)率提高了100倍，純CO2中的CH4產(chǎn)率也提高了大約18倍。通過(guò)質(zhì)譜檢測，反應生成的CH4來(lái)源于CO2而不是雜質(zhì)等的其他物質(zhì)。

圖1(a)不同氣壓下CH₄產(chǎn)率,(b)-80kPa和大氣壓下CH₄產(chǎn)率對比.(c)用¹³CO₂反應得到的¹³CH₄的質(zhì)譜譜線(xiàn).

圖2 低真空下光催化CO2反應的穩定性測試.(a)循環(huán)測試,(b)連續測試.測試前后催化劑表面COOH*和CO*的(c)C1s變化情況和(d)定量分析,(e)COH*的演變圖.

圖3低真空下光催化CO2反應的機理分析.(a)TiO2的能帶結構,(b)不同氣壓下的光電流對比，(c)布朗運動(dòng)對反應的影響,(d)活性位點(diǎn)抑制

圖4低真空下光催化CO2反應的驗證.(a)Pt-TiO2的CH4產(chǎn)率,(b)不同Pt含量的CH4產(chǎn)率對比.