光电协同催化还原CO2：光阳极与阴极材料的设计制备及界面调控研究

Photoelectrochemical (PEC) reduction of CO2 is believed to be a hot topic in the fields of environment and energy. The bottleneck for further applications is the low efficiency for CO2 conversion, which is depended on the structure of the photoelectrode materials and interfaces among them. Thus, the related materials science and application research needs to be further explored. In order to improve the conversion efficiency, the present research will focus on fabricating PEC CO2 reduction system based on noble metal nanomaterials/TiO2 nanotube array photoanode and copper-based nanomaterials/3D graphene foams cathode. The unique property of the present research is shown as follow: firstly, surface plasmon resonance on noble metal nanoparticles will improve visible absorption and separation of electrons and holes of photoanode. Secondly, high conductivity and specific surface area of 3D graphene and highly catalytic performance of copper-based nanomaterials will be combined to enhance the catalytic activity of cathode. The theory of LSPR electric field, Schottky contact, functions of noble metals, and the electrochemical potentials of redox groups will be used for the interpretation of photoelectrode interface regulation on catalytic performance, enhancing the catalytic activity by a synergistic effect between photocatalysis and electrocatalysis. The implementation of this project will provide new materials and strategy for CO2 recycling technique and benefit the development of Micro-nano functional materials.

光电催化还原CO2是环境能源领域研究热点。低CO2转化效率是阻碍其发展的瓶颈，受电极材料、结构及各种界面效应等多种因素影响，其作用机制的基础和应用研究亟待深入探索。项目以提高CO2转化效率为目标，创新提出光催化剂与电催化剂分离方法克服价带位置对阴极材料的限制，构建基于贵金属纳米材料/TiO2纳米管阵列光阳极和铜基纳米材料/三维石墨烯泡沫阴极的光电催化还原CO2系统。核心是利用贵金属等离子激元共振效应提高光阳极对可见光吸收和电子空穴分离效率，催化性能优异的铜基纳米材料复合导电性高、比表面积大的三维石墨烯提升阴极催化性能，双电极协同作用下提升CO2转化效率。发展新制备方法同时结合LSPR场分布、肖特基势垒、功函数、电极电势等理论阐述光电极界面调控对催化性能的影响机制。项目完成将为CO2的资源化利用提供新的电极材料和研究思路，促进微纳功能材料的发展，具有重要学术意义。

光电化学（Photoelectrochemical，PEC）催化还原CO2的核心是光电极材料，本项目面向PEC还原CO2体系的构建，针对半导体异质结构光电极材料设计合成和碳基材料的设计制备开展了一系列研究工作，并对合成的材料进行了详细表征和性质测试，探索了这些材料在光电化学水分解、电化学检测、电化学传感和生物传感方面的应用，具体研究内容包括：.1.设计制备了CuO/ZnO和ZnO@ZIF-8/67纳米阵列、UiO-66-NH2@MIL-101(Fe)双MOFs复合结构、不对称苯环掺杂的C3N4以及碳掺杂TiO2等光电催化材料，通过构筑异质结构和杂原子掺杂等方法有效地调控了光照下半导体材料电子空穴分离效率和表面能量分布，提高了可见光利用率，进而提高光电催化水分解反应的催化活性；.2.设计制备了一系列石墨烯等碳基复合纳米材料，开发了氮掺杂石墨烯、氮磷共掺杂碳、荧光碳聚合物的设计制备新方法，并将这些材料用于构筑电化学生物传感器，实现了对抗坏血酸、多巴胺、尿酸、过氧化氢等生物活性分子的高效检测，为电化学CO2还原、N2还原等电催化剂的开发提供研究基础；.3.开展了多孔材料的合成工作，以离子液体为模板剂，合成了多种有序介孔二氧化硅材料，并采用无溶剂法以介孔二氧化硅为模板合成了介孔碳材料，这些工作为制备三维多孔石墨烯材料提供了实验基础，同时，这些介孔材料也可以用作电催化剂的基底材料。.项目的研究目标基本完成，并取得了一些有意义的研究成果。在本项目支持下共发表SCI论文13篇（其中影响因子大于10论文1篇，影响因子大于5论文5篇），获得授权中国发明专利1项，协助培养博士研究生3人，硕士研究生1人。本项目的完成为光电催化、电催化、电化学生物传感领域材料的合成提供了新方法，具有重要的学术意义。