光催化分解气态氧化物分子研究

Removing gaseous oxides, such as carbon oxides (COx including CO2 and CO), sulphur oxides (SOx, including SO2 and SO3), and nitrogen oxides (NOx, including NO and NO2), has great significance for construction of ecological atmosphere. Here, we have proposed a new route to directly splitting gaseous oxide molecules and this reaction was achieved by following mechanism: the splitting of gaseous oxide molecules was achieved via photoinduced oxygen vacancies on amorphous oxide photocatalyst reacted and thus were filled with O of gaseous oxide molecules, while the photogenerated electrons reduced the C, S, and N species of COx, SOx, and NOx to C, S, and N2. Under irradiation, such a defect reaction is sustainable by continuous photogenerated hole oxidation of surface oxygen atoms on oxide photocatalyst to form oxygen vacancies and to release O2. In this project, we will focus on the following research contents: (1)Discovering the formation mechanisms of photogenerated oxygen vacancies and the activation mechanism for gaseous oxides; (2) Exploring the splitting mechanism of gaseous oxides in the presence of photo-generated oxygen vacancies and the influence factors of the decomposition efficiencies; (3) Proposing the effective methods of improving the decomposition efficiency of gaseous oxides. This proposed reaction route is energy-efficient and sustainable, thus is an ideal technique for using it to remove gaseous oxide molecules and release O2 for a specific enclosed space. The final goal of the project is to provide experimental basis and theoretical guide to highly efficient conversion of gaseous oxides.

消除气态氧化物分子污染物，如COx (CO2，CO)，SOx (SO2，SO3)，NOx (NO，NO2) 等，对构建和谐生态环境具有重要意义。本项目拟通过光生空穴腐蚀非晶态氧化物光催化材料中的O原子产生氧缺陷活化催化夺取氧化物分子中的O，并因光生空穴的持续性氧化而释放O2。活化后的氧化物分子键能降低，光生电子更容易还原非氧成分为单质，实现缺陷催化与光催化方法相结合直接分解氧化物分子。主要研究内容包括: (1) 揭示光腐蚀氧空位的形成规律及气态氧化物分子活化机制; (2) 揭示氧空位活化催化气态氧化物分子分解机理及其反应活性影响因素; (3) 提出提高氧空位催化气态氧化物分子分解效率的有效方法。项目提出的这一反应途径所需能量消耗较低，并且可以实现持续性光照分解气态分子产O2，是一种理想的密闭空间内移除气态氧化物分子供氧技术，旨在为高效光催化分解气态氧化物分子提供新的实验基础和理论指导。

项目提出了紫外光辐照构建受阻路易酸碱对的新方法，发展了颗粒电化学质子化构建表面极化子态的方法，提出了能量场调控电子态的材料设计理念。项目共计发表包含J. Am. Chem. Soc、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater. 在内的SCI学术论文47篇，申请发明专利8项。. 在研究内容一 “解析光致氧缺陷的形成规律及其与气态氧化物分子的相互作用机制”方面，提出了紫外光辐照构建受阻路易斯酸碱对的新方法并明晰了其CO2活化机制。这一反应途径所需能量消耗较低，并且可以实现持续性光照分解气态分子产O2，是一种理想的密闭空间内移除气态氧化物分子供氧技术，在太空探索（比如载人宇宙飞行器）、海洋探索（比如水下载人勘探）、民防工程以及大型公共密闭空间内的生态系统构建方面具有潜在的应用前景。. 研究内容二“揭示氧缺陷辅助的气态氧化物分子分解机理及其反应活性影响因素”方面，发展了电化学极化子态方法，并揭示了极化子态作为电荷转移的重要通路，有效提升电荷分离效率，提升光电分解H2O氧化物分子的能力。这一电化学质子化的氧化物颗粒表面功能化方法，能够实现单颗粒的表面质子化，形成表面极化子态、产生类金属性质的表面电导、调控表面原子的电子轨道自旋等，因而在能源转换、人工神经元、传感器等领域有重要的应用前景。. 研究内容三“提出提高缺陷辅助的气态氧化物分子分解效率的有效方法”方面，提出了能量场控制材料电子态调控催化能力的方法。能量场调控电子态的方法是实现多能高效耦合的物理基础，为高效的多能耦合互补可再生能源转换提供了理论指导。