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研究人员开发新型催化剂有望促进碳循环利用

来源: 时间:2021-05-27

  随着近几十年的工业迅速发展,CO2等温室气体的过度排放,引起的全球气候变化严重影响了自然界生态系统的平衡。近年来,受碳排放政策影响,各国都在努力实现二氧化碳减排。我国已明确提出碳中和目标,并在“十四五规划”中明确指出将加快绿色低碳发展,推动能源清洁安全高效利用。

  光催化CO2还原是一种在太阳能驱动下,利用半导体材料催化转化CO2为可再生碳/氢燃料的技术。该技术能量来源为清洁可再生的太阳能,反应原料为CO2,产物碳/氢燃料是一种有附加值的能源载体,可以实现碳循环利用。光催化CO2还原技术即可达到节能减排和抑制温室效应的目的,又能缓解能源短缺问题,实现环境保护与CO2资源化的双重效益,是一种可持续的CO2转化与利用方案,为减轻碳排放和能源危机提供了一种有效的解决手段。近年来,光催化还原CO2受到广泛关注,一些光催化剂被证明具有CO2还原活性。然而,CO2还原过程中容易产生产物种类具有多样性,并且与H2O还原产氢为竞争反应,这导致目标产物的产率和选择性较低。此外,现有光催化还原CO2还原研究主要专注于催化剂的CO2吸附及中间体的反应活性,而对该反应的最后一步,也就是产物的解吸附缺乏研究。

  针对以上问题,省测试分析所光电功能材料与器件研究团队设计开发了一种新型二元异质结构的C3N4催化剂(FCN-V),并结合光谱、气相色谱等手段对其进行性能表征和优化。结果显示,改性后的二元异质结构FCN-V具有良好的光电性能,能有效将CO2光催化还原成CO,产率高达486.7 μmolh-1g-1,420nm下的量子效率为2.5%,相比与未改性的C3N4催化剂性能提高了34倍。同时,二元异质结构FCN-V光催化还原CO2生成CO的选择性高达98.4%,可以直接获得纯度较高的CO。DFT理论计算表明FCN-V的二元异质结构使该催化剂具有特殊的电子结构和增强的CO解吸附能力。


  新型二元异质结构的C3N4催化剂光催化CO2还原示意图

  该新型二元异质结构的C3N4催化剂合成的主要原材料为双氰胺,可采用简单的原位成核和煅烧法获得,是一种易于低成本生产的高性能、高选择性光催化剂。循环实验显示,该催化剂具有非常好的稳定性,多次使用后性能依然未见衰减,所开发的光催化体系可在常温常压下长时间稳定运行。研究揭示了产物解吸附作为关键步骤对催化反应的重要影响,为光催化CO2催化剂的结构设计提供了新的思路,研究成果有望直接利用太阳能实现低成本CO2转化,促进可再生能源利用与节能减排。

  相关成果以“Boosted CO desorption behaviors induced by spatial dyadic heterostructure in polymeric carbon nitride for efficient photocatalytic CO2 conversion”为题发表于《Applied Catalysis B: Environmental》,省科学院测试分析所为唯一第一和通讯编辑单位,上述工作得到了国家自然科学基金和新拉斯维加斯棋牌网建设国内一流研究机构行动专项资金项目的支撑。

  论文链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092633732100415X#!

  (省科学院测试分析所光电功能材料与器件研究团队 汪福宪/撰稿)

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