CO₂是最常見(jiàn)的化合物,作為潛在的碳一資源,可用于制備多種高附加值的化學(xué)品,如一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸等。傳統(tǒng)的熱催化轉(zhuǎn)化CO₂方法能耗高,反應(yīng)條件苛刻。因此,如何在溫和條件下高效地將CO₂轉(zhuǎn)化成高附加值的化學(xué)品,一直以來(lái)是催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。光催化技術(shù)反應(yīng)條件溫和、綠色環(huán)保。然而,純光催化反應(yīng)普遍存在太陽(yáng)能利用效率有限,光生載流子分離效率低等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,在光催化的基礎(chǔ)上引入電催化,可以提高載流子的分離效率,在較低的過(guò)電位下,實(shí)現(xiàn)多電子、質(zhì)子向CO₂轉(zhuǎn)移,從而提高催化反應(yīng)效率�？傊�,光電催化技術(shù)可以結(jié)合光催化和電催化的優(yōu)勢(shì),提高CO₂催化還原反應(yīng)效率,為清潔、綠色利用CO₂提供了一種新方法。本文依據(jù)光電催化CO₂還原反應(yīng)基本過(guò)程,從光吸收、載流子分離和界面反應(yīng)等三個(gè)角度綜述了光電催化反應(yīng)的基本強(qiáng)化策略,并對(duì)未來(lái)可能的研究方向進(jìn)行了展望。 

【文章來(lái)源】：物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2020,36(03)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：11 頁(yè)

【部分圖文】：

三種不同類型的光電CO2還原系統(tǒng)示意圖

天津大學(xué)葉金花等人30采用熱處理的方法實(shí)現(xiàn)了催化材料的自摻雜。在1200–1400°C的氬氣氛圍下，經(jīng)過(guò)一系列熱處理可以得到自摻雜的SiTiO3-δ材料。SiTiO3-δ材料是一種鈣鈦礦類型的材料，其自摻雜氧空位對(duì)其光學(xué)性能有著重要的影響。理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，氧空位的存在會(huì)在鈣鈦礦中引起線性空位排列，并與缺陷-缺陷相互作用，誘導(dǎo)形成一個(gè)新的隙帶，從而增強(qiáng)可見(jiàn)光吸收31,32。多種表征手段證實(shí)該材料中存在三價(jià)鈦離子以及氧空位缺陷，材料的可見(jiàn)光吸收明顯增強(qiáng)(圖3)。此外，CO2的吸脫附實(shí)驗(yàn)表明，材料的氧空位濃度越高，CO2在催化劑表面的化學(xué)吸附作用越強(qiáng)，催化反應(yīng)效率也越高。除了摻雜方法外，等離子體金屬納米結(jié)構(gòu)也可以提高光能的采集和能量轉(zhuǎn)換效率，目前已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料中。在入射光波電場(chǎng)作用下，金屬納米顆粒的外層自由電子被極化發(fā)生運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生新電場(chǎng)，在原有體系內(nèi)部施加了一種線性的內(nèi)部恢復(fù)力。這種局限于金屬納米顆粒內(nèi)部的電子偶極震蕩，被稱為局域表面等離子體共振(LSPR:localized surface plasmon resonance)33。

具有等離子共振效應(yīng)的常見(jiàn)貴金屬有Au、Ag、Pt等，非貴金屬主要有Cu。在催化反應(yīng)中，上述金屬通常也被用作助催化劑以提高催化效率。其中，以Au、Ag為代表的貴金屬基助催化劑在CO2催化還原方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化性能。Cheng等人34構(gòu)建了一種Au負(fù)載p-GaN的光陰極材料，研究了其在光電催化CO2還原方面的性能。在570 nm光照下，Au納米粒子表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光吸收性能，在等離子激發(fā)之后，能將熱的空穴注入到p-GaN中。如圖4所示，在等離子作用驅(qū)動(dòng)下，復(fù)合光陰極材料的催化性能進(jìn)一步提高，且產(chǎn)物中CO的選擇性增大。Hou等人35采用類似的策略，在三維石墨烯/Cu2O光電陰極上沉積得到了Au-Cu納米合金催化劑。由于存在表面等離子體共振吸收，催化劑的可見(jiàn)光吸收能力明顯增強(qiáng)。除了等離子體金屬納米顆粒以外，Kostecki等人36設(shè)計(jì)了一種六邊形排列的Ag納米電極用于光電還原CO2。在光激發(fā)下，納米針電極尖端產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，可以將等離子體激發(fā)的熱電子引入到催化劑表面吸附的中間體上，如CO2和COOHads(一種瞬態(tài)中間體)。與光滑的Ag電極相比，Ag-納米電極光電催化CO2還原的活性提高了約7倍。


本文編號(hào)：3063579