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低真空下的高效光催化二氧化碳還原反應(yīng)
閱讀：1092 發(fā)布時(shí)間：2023-3-31. 文章信息
標(biāo)題：High-efficiency photoreduction of CO2 in a low vacuum
中文標(biāo)題： 低真空下的高效光催化二氧化碳還原反應(yīng)
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(qū)信息： 二區(qū)TOP（升級(jí)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(qiáng))。
4.實(shí)驗(yàn)儀器：CEL-SPH2N/PAEM
文章簡(jiǎn)介：
利用太陽(yáng)光進(jìn)行光催化反應(yīng)制備綠色清潔能源是非常誘人的技術(shù)。加之，如今人們依賴化石能源給大氣中排放了過多的CO2。將CO2在光的作用下轉(zhuǎn)換成可燃燒的CO、CH4或者其他碳?xì)浠衔锸且粋€(gè)兩全其美的方法。CO2是一個(gè)很穩(wěn)定的分子，許多研究關(guān)注制備高效、穩(wěn)定的光催化劑來提高CO2還原性能，這些研究主要通過擴(kuò)展光響應(yīng)范圍、加快電荷輸運(yùn)、增加活性位點(diǎn)、選擇性吸附CO2等。但是，光催化CO2反應(yīng)目前面臨的一個(gè)大問題是，不管用哪種催化劑，反應(yīng)的產(chǎn)物還是太少，不能在現(xiàn)實(shí)中實(shí)施。然而，反應(yīng)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(jí)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(rèn)為，在合適的CO2含量中研究CO2還原反應(yīng)是很有意義的。因此，我們用常規(guī)TiO2作為光催化劑，在低真空下研究了光催化CO2的反應(yīng)效率。
如下圖1，實(shí)驗(yàn)表明低真空氣氛有助于提高光催化CO2反應(yīng)性能。在低濃度CO2（10%）中，低真空下反應(yīng)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。通過質(zhì)譜檢測(cè)，反應(yīng)生成的CH4來源于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(duì)比.(c)用13CO2反應(yīng)得到的13CH4的質(zhì)譜譜線.
催化反應(yīng)的穩(wěn)定性在實(shí)際實(shí)施中舉足輕重，我們測(cè)試了在低真空下反應(yīng)四個(gè)循環(huán)（圖2a）和連續(xù)反應(yīng)24小時(shí)（圖2b）的情況，實(shí)驗(yàn)表明，CH4產(chǎn)率和選擇性均穩(wěn)定。24小時(shí)后，CH4產(chǎn)率在低真空下是3.4umol，在大氣壓下是0.9umol.我們用XPS分析了在不同氣壓下的催化反應(yīng)過程（圖2c-d）。低真空下，反應(yīng)3.5小時(shí)，催化劑表面COH*飽和，一直持續(xù)到反應(yīng)24小時(shí)（有CH4生成）；而在大氣壓下，反應(yīng)3.5小時(shí)的COH*很少量，反應(yīng)24下時(shí)催化劑表面的COH*才逐漸飽和（如圖2e）。
圖2 低真空下光催化CO2反應(yīng)的穩(wěn)定性測(cè)試.(a)循環(huán)測(cè)試,(b)連續(xù)測(cè)試.測(cè)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.
我們分析了低真空下光催化CO2反應(yīng)的機(jī)理。如圖3a，TiO2吸收了光子產(chǎn)生電子，這些光電子一部分與CO2反應(yīng)生成CO和CH4。檢測(cè)到的光電流是電子-空穴再結(jié)合和表面吸附物質(zhì)導(dǎo)致的電子湮滅這兩者的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果導(dǎo)致。在低氣壓下，后者被抑制，體現(xiàn)出增大的光電流（如圖3b）,這有助于CO2的還原反應(yīng)。另外，大氣中的氣體分子由于布朗運(yùn)動(dòng)能促進(jìn)CO從催化劑表面的脫附，不利于CH4的生成（如圖3c）。大氣中的氣體分子也會(huì)占據(jù)催化劑表面的位點(diǎn)，導(dǎo)致CO-不易與-H結(jié)合，阻礙CH4的生成（如圖3d）。
圖3低真空下光催化CO2反應(yīng)的機(jī)理分析.(a)TiO2的能帶結(jié)構(gòu),(b)不同氣壓下的光電流對(duì)比，(c)布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)反應(yīng)的影響,(d)活性位點(diǎn)抑制
為了驗(yàn)證低真空下光催化CO2反應(yīng)性能提高，我們用Pt-TiO2催化劑研究了光催化CO2反應(yīng)，結(jié)果如圖4。低真空下，CH4產(chǎn)率是1.47umol，選擇性是94.71%；而大氣壓下，CH4產(chǎn)率是0.83umol，選擇性是81.14%。
圖4低真空下光催化CO2反應(yīng)的驗(yàn)證.(a)Pt-TiO2的CH4產(chǎn)率,(b)不同Pt含量的CH4產(chǎn)率對(duì)比.
總之，研究表明氣壓對(duì)光催化CO2還原反應(yīng)有很大的影響,低真空下光催化CO2反應(yīng)性能有所提高。不論在純CO2中還是在低濃度CO2（10%）中，這個(gè)結(jié)論依然成立。性能增強(qiáng)主要來源于低真空下光電子能更好的聚集、布朗運(yùn)動(dòng)較弱、有更多的活性位點(diǎn)。我們認(rèn)為這種從工程學(xué)角度來提高光催化CO2的反應(yīng)效率是有效且普適的策略，能為光電催化CO2還原反應(yīng)和其他反應(yīng)提供有價(jià)值的參考。