二维过渡金属硫族化合物/Cu2O纳米阵列异质结构的构筑及光电催化还原CO2的研究

Reduction of CO2 to chemical fuels is an effective way to relieve the energy crisis and environmental problems. This project proposes to construct a two-dimensional (2D) transition-metal dichalcogenides (TMDs)/Cu2O nanoarray heterostructures, combing the synergetic effect of 2D TMDs and Cu2O nanoarray, for photoelectrocatalytic CO2 reduction. The “space-confined effect” of Cu2O nanoarray will effectively control the size and dispersion of 2D TMDs, and boost the numbers of active sites. In addition, the Cu2O nanoarray structure is beneficial for promoting light utilization and charge transport rate. Meanwhile, the coating of 2D TMDs and the heterostructures improve the stability of Cu2O, promoting charge separation and catalytic activity. For photoelectrocatalytic CO2 reduction, firstly, the Cu2O nanoarrays absorb the sunlight efficiently and produce electrons, reducing the external electricity input and energy consuming. Secondly, the heterostructures and external bias facilitate the photoelectron separation and reduce the recombination of electron and holes. Finally, the controllable active sites of 2D TMDs enhance the catalytic activity and selectivity of CO2 reduction. The research system of this project is novel and study the key scientific issues including the construction of heterostructures with different dimensions for photoelectrocatalytic CO2 reduction, which provides scientific basis for performance control of functional materials and application development of photoelectrocatalysis.

还原CO2形成化学燃料是缓解能源危机和环境问题的一种有效的方法。本项目拟构筑二维过渡金属硫族化合物（TMDs）/Cu2O纳米阵列异质结构，结合二维TMDs和Cu2O纳米阵列的协同效应，用于光电催化还原CO2。Cu2O纳米阵列的“空间限域效应”将有效控制TMDs的尺寸和分散性，提高其活性位点的数目。另外，Cu2O纳米阵列有利于提高光利用率和电荷传输速率。同时，TMDs的包覆和异质结构提高Cu2O的稳定性，促进电荷分离和催化活性。在光电催化还原CO2时，Cu2O纳米阵列首先吸收太阳能产生光电子，减少外界电能的输入，降低能耗。其次，异质结构和外加偏压加速光生电子的分离，降低电子和空穴的复合。最后，活性位点可控的二维TMDs提高CO2还原的催化活性和选择性。本项目研究体系新颖，研究了不同维度异质结构的构筑及光电催化还原CO2等关键科学问题，为功能化材料的性能调控及光电催化应用拓展提供了科学依据。

二维过渡金属化合物在催化、光电、电池等领域展现巨大的应用潜力。本项目围绕功能性二维过渡金属化合物的表界面结构设计及催化等应用方面，开展一系列系统性研究工作，取得结果如下：.1.二维过渡金属化合物异质结构的构筑及催化性能研究：（a）首次采用界面应变实现二维过渡金属硫族化合物相变的有效调控，并深入探讨应变诱导相变的产生机制。获得高含量和高稳定的金属1T相硒化钨/碳纳米管异质结构，在酸性和碱性电解液中均展现优异的电催化析氢性能和稳定性。（b）发展了超临界CO2应变调控策略制备面内横向异质结构1T-2H MoS2，并在表面原位负载Au纳米粒子。构筑的横向/纵向1T-2H MoS2/Au异质结构展现优异的光电催化性能，为设计多功能的光电纳米器件奠定了基础。.2.二维过渡金属化合物表面结构设计及催化还原CO2性能研究：（a）采用非金属S原子掺杂二维后过渡金属化合物碳酸氧铋纳米片。S掺杂有效提高铋金属活性中心的电子密度，促进CO2还原的质子-电子耦合转移，解决了Bi基催化剂还原CO2活性低的问题，同时保证了甲酸的高选择性和稳定性。（b）以氯氧铋为模型，首次利用超临界CO2溶剂效应除去部分氯离子，诱导层内[Bi2O2]2+结构变形。变形的氯氧铋纳米片优化甲酸中间体的活化能垒和抑制析氢反应，展现优异的CO2催化还原的活性和选择性。.3.二维过渡金属化合物纳米晶体制备和光电性能研究：（a）采用超临界CO2原位钴掺杂的方法，获得富氧空位的Co-MoO3-x纳米晶体，展现优异的光电特性。（b）首次利用超临界CO2制备二维非晶二硫化钒纳米片，展现独特的全波段吸收、强光致发光特性和优异的光热转换性能。.4.构造二维WSe2/Cu2O纳米阵列异质结构实现高效光电催化还原CO2产CH4。.本项目研究了二维过渡金属化合物表界面结构设计等关键科学问题，为功能化二维过渡金属化合物的应用拓展提供了科学依据。