利用太阳能催化二氧化碳合成有机燃料的研究

本项目拟制备掺杂有二氧化钛纳米晶的具有类卟啉环结构的镁离子络合催化体系，将这种模拟天然叶绿素接枝到纳米碳管阵列内，利用太阳能催化二氧化碳和水合成有机燃料。着重研究纳米碳管的限域环境对改变二氧化碳和水分子与催化剂表面的电子传递转移特性的影响以及对降低催化反应活化能的关键作用机制；考察在二氧化钛纳米晶中掺杂其他元素来改变带宽从而拓宽光响应的范围；影响二氧化碳转化效率的复合催化剂的关键作用机制。研究结果将使人们进一步认识太阳能催化二氧化碳和水的混合物来合成有机燃料过程中的新现象、新规律，可望总结出太阳能催化二氧化碳合成碳氢化合物的机制。本项目对缓解由温室气体引起的环境问题和化石能源面临枯竭的能源危机都具有较重要的工程应用前景和学术价值。

本研究采用化学气相沉积、气质联用仪、光反应器、电镜等手段和量子化学计算等方法进行了研究，取得如下结果： （1）成功合成了卟啉及镁卟啉等金属卟啉配合物，制备了碳纳米管、纳米TiO2 及N-TiO2、膨胀石墨、碳纳米管/TiO2、碳纳米管/N-TiO2、膨胀石墨/N-TiO2、构建了碳纳米管/ TiO2/镁卟啉光催化剂。（2）采用化学气相沉积法成功制备了碳纳米管，发现碳纳米管阵列微观尺度与前驱物、温度和生长时间有密切关系；（3）发现粒径小，比表面积大的纳米TiO2、N-TiO2纳米晶的光催化活性较好，N-TiO2的光催化活性比纳米TiO2的光催化活性好；（4）量子化学计算显示了H2O，OH、H在TiO2（110）表面不同吸附位上的吸附行为，确定了他们的最稳定吸附位，为纳米TiO2、N-TiO2的光解水提供了理论依据。（5）为了考察石墨烯为载体制备的光催化剂的效果，研究了两种简单、快速、低成本制备石墨烯的新方法。