高效光催化材料的晶面构筑及其还原 CO2 的构效机理研究

The photocatalytic reduction of CO2 into CO or hydrocarbon fuels by utilizing the abundant solar energy holds promise to address the current and future demand of energy supply. However, the photocatalytic efficiencies of photocatalyst are very low. On the basis of significant enhancement on the separation of photogenerated charge carriers and the adsorption/activation of CO2, this project will carry out a fundamental research on the CO2 photoreduction over faceted photocatalysts. The faceted photocatalysts with different kinds of crystal facets will be prepared by appropriate crystal growth method. The properties of photogenerated charge carries and CO2 adsorption/activation could be promote by adjusting and controling crystal facets in detail. We propose to establish the structure-properties between crystal facets and photocatalytic performance by precisely modifying the crystal facets structure. With theoretical calculations, the effect of the crystal facet on separation and migration of photoinduced charge carries, adsorption of CO2 and photocatalytic reaction will be investigated, in order to drawing out the physicochemical mechanism of the CO2 photoreduction over faceted photocatalysts. The investigations on faceted photocatalysts systems provide some scientific and experimental bases for research on novel, high efficient photocatalysts to photocatalytic reduction of CO2.

利用太阳能光催化还原CO2 为CO 或碳氢燃料已展现出巨大的发展潜力，然而传统光催化剂转化效率很低。本项目围绕提高转化效率的两个关键问题：光生电子空穴有效分离和CO2吸附与活化，以特定晶面暴露材料为研究对象，运用合适的晶体生长方法合成多种不同晶面暴露光催化剂，调控暴露晶面的表面性质，有效促进晶面间光生电荷分离，提高CO2分子的吸附与活化性能。通过精细调控和原位表征，结合理论计算，深入探究晶面结构在光催化还原CO2过程中的作用机制，揭示光催化剂晶面结构与CO2分子间的相互作用以及电子转移机理，建立晶面结构与光催化还原CO2性能的构效关系，为研发新型高效还原CO2光催化剂提供新思路。

绿色植物在光照作用下将二氧化碳和水转化为碳水化合物。基于半导体光催化的人工光合作用是利用太阳能激发半导体光催化剂所产生的光生电子还原CO2为甲醇、甲烷、乙烷等有机燃料，将太阳能转变为化学能储存起来，并且能够有效治理环境污染，是解决世界能源短缺和环境污染问题的理想途径之一。半导体光催化剂的特定晶面暴露直接导致晶体表面原子排布及原子的配位环境、电子结构发生变化，因而对CO2反应物的吸附、脱附、催化反应产生直接明显的影响，而暴露的不同晶面间的协同效应也对光生电子-空穴的分离起着至关重要的作用。本项目利用多种先进纳米材料制备技术合成了BiVO4、InVO4、Bi4TaO8Cl、Bi2MoO6等多种不同晶面暴露的光催化剂用于光催化性能研究。通过X射线衍射、扫面电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱技术、紫外可见吸收光谱、瞬态荧光寿命谱、原位红外技术、CO2还原活性检测等技术，实验与理论相结合，研究了上述光催化体系中组分、微结构、晶面、表/界面等对光子利用率、光生载流子分离、迁移与传输的影响规律。探究不同晶面暴露的光催化剂对CO2 的吸附、活化和反应途径、反应速率、还原产物选择性之间的影响规律和内在机理，为研发高效光催化还原CO2材料体系提供研究基础。