钛酸锶基光催化-光热催化双功能催化剂的构建及促进CO2光还原的研究

The photoreduction from CO2 to hydrocarbon compound is a new energy technology to produce renewable fuels by using solar energy. However, the low efficiency of the reaction is always a key factor to restrict the practical application of this technology. On the basis of our previous study experience on new photocatalyst development and the summary of the recent researches on CO2 photoreduction, this project will carry out a fundamental research on construction of SrTiO3-based bifunctional catalyst with photocatalytic and photothermal catalytic capabilities to enhance the performance of CO2 photoreduction. Firstly, the synthesis to nanoporous SrTiO3 materials with suitable surface area and crystallinity will be explored. Then, the plasmon-active Au and the VIII-group metal nanoparticles will be loaded on SrTiO3 photocatalysts, which will realize a new CO2 photoreduction route that firstly the photocatalytic water splitting supplies H2 and then the H2 and CO2 are photothermal-catalytically converted into organic fuel under visible-infrared irradiation. Furthermore, this project aims to explore the structure-activity relationship of catalyst via the following investigation method: studying the relation between the efficiencies of photogenerated electron transfer and conversion and the CO2 photoreduction performance of the bifunctional photocatalytic- and photothermal-catalytic-catalyst under light irradiation to guide further optimization of loading Au and VIII-group metal nanoparticles. This project will construct the theoretical and practical fundamental for developing the new semiconductor-based bifunctional catalyst with photocatalytic and photothermal catalytic capabilities to promote of CO2 photoreduction performance.

光还原CO2制备碳氢化合物是利用太阳光能制备可再生燃料的新能源技术，但反应效率低是制约这项技术实用化的主要因素。基于既往新型光催化材料的研究经验及对近年来CO2光还原研究的总结，本项目拟开展构建SrTiO3基光催化-光热催化双功能催化剂以实现提升CO2光还原性能的基础研究。先探索合成方法并制备具有合适比表面积及结晶性的纳孔SrTiO3材料，进而在其表面负载等离子活性金属Au以及VIII族金属纳米粒子，从而实现可见光及近红外光照射下先光催化分解水产生H2、再由H2与CO2光热催化产生有机燃料的新CO2光还原反应途径。研究光催化-光热催化双功能催化剂光照下光生电子的转移、转化效率，并将其与CO2光还原性能进行关联，指导优化Au及 VIII族金属纳米粒子的负载技术，最终建立催化剂构效关系。本项目将为发展新型半导体基光催化-光热催化双功能催化剂促进CO2光还原的材料学研究提供理论与实践基础。

人工光合成能够将化石能源燃烧产生的CO2转化为燃料，为人类可持续发展提供了一条绿色途径。然而，CO2光还原的反应效率低下，阻碍这一技术的实际应用。本项目提出在半导体材料上负载两种金属纳米粒子制备成光催化-光热催化双功能催化剂，在光照下，先将H2O还原成H2，再由H2与CO2反应生成燃料。我们完成了如下研究：1.开发低温制备纳孔SrTiO3的方法；2.研制了Au和Rh共负载SrTiO3、Au/Ag/Cu和Co共负载SrTiO3等一系列催化剂并研究其CO2光还原活性；3. 发展了光电化学表征及光照温度变化测试用以研究复合材料体系中光生电子的转移方向和转化效率。在制备工艺方面，溶胶-凝胶碱溶释热法实现60oC低温制备SrTiO3，是目前所报道的制备SrTiO3的最低温度记录。在新型催化材料研制方面，Au、Rh共负载SrTiO3实现了百余种光催化材料不能完成的产出合成气，与4种具有该功能的材料对比，性能提升几十-几百倍。在光化学反应微观机理探索方面，光电化学表征及光照温度变化测试为光催化-光热催化双功能催化剂、光热催化剂的反应机理解析提供了有效手段。受项目资助，共发表10篇SCI论文(其中IF>10的3篇)、申请专利10项(4项获得授权)。该项目的实施为新型催化材料的制备工艺、设计及开发、反应机理的探索提供了有益借鉴。