低真空下的高效光催化二氧化碳还原反应

1. 文章信息

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

中文标题： 低真空下的高效光催化二氧化碳还原反应

页码：15389-15396

DOI：10.1039/d2cp00269h

2. 期刊信息

期刊名：Physical Chemistry Chemical Physics

ISSN：1463-9084

2021年影响因子：3.945

分区信息： 二区TOP（升级版）

涉及研究方向： 物理化学、化学物理、生物物理化学

3. 作者信息：第一作者是 Yuxin Liu (刘钰鑫) 。通讯作者为  Shuai Kang (康帅)、Zhuofeng Hu (胡卓锋)、Wenqiang Lu (陆文强)。

4.实验仪器：CEL-SPH2N/PAEM

文章简介：

利用太阳光进行光催化反应制备绿色清洁能源是非常诱人的技术。加之，如今人们依赖化石能源给大气中排放了过多的CO2。将CO2在光的作用下转换成可燃烧的CO、CH4或者其他碳氢化合物是一个两全其美的方法。CO2是一个很稳定的分子，许多研究关注制备高效、稳定的光催化剂来提高CO2还原性能，这些研究主要通过扩展光响应范围、加快电荷输运、增加活性位点、选择性吸附CO2等。但是，光催化CO2反应目前面临的一个大问题是，不管用哪种催化剂，反应的产物还是太少，不能在现实中实施。然而，反应中CO2的实际用量很少，每克催化剂每小时大约只用毫摩尔级的CO2，但是绝大部分研究在大气压下纯二氧化碳中进行。我们认为，在合适的CO2含量中研究CO2还原反应是很有意义的。因此，我们用常规TiO2作为光催化剂，在低真空下研究了光催化CO2的反应效率。

如下图1，实验表明低真空气氛有助于提高光催化CO2反应性能。在低浓度CO2（10%）中，低真空下反应的CH4产率提高了100倍，纯CO2中的CH4产率也提高了大约18倍。通过质谱检测，反应生成的CH4来源于CO2而不是杂质等的其他物质。

图1(a)不同气压下CH₄产率,(b)-80kPa和大气压下CH₄产率对比.(c)用¹³CO₂反应得到的¹³CH₄的质谱谱线.

图2 低真空下光催化CO2反应的稳定性测试.(a)循环测试,(b)连续测试.测试前后催化剂表面COOH*和CO*的(c)C1s变化情况和(d)定量分析,(e)COH*的演变图.

图3低真空下光催化CO2反应的机理分析.(a)TiO2的能带结构,(b)不同气压下的光电流对比，(c)布朗运动对反应的影响,(d)活性位点抑制

图4低真空下光催化CO2反应的验证.(a)Pt-TiO2的CH4产率,(b)不同Pt含量的CH4产率对比.