基于CO2燃料转化可控构建内嵌式单原子光催化纳米反应器及其催化行为机理

M1@g-C3N4 photocatalytic nanoreactor will be controllably constructed based on the problems of ecological environment caused by CO2. The key issue will be solved that g-C3N4 and its modified materials are difficult to improve simultaneously the catalytic conversion rate and directional selectivity of CO2. The fast, high-efficient and high-selective photocatalytic CO2 fuel conversion will be realized. We will investigate the regulation laws of microstructures such as specific surface area, space size, morphology, defect, interface and functional groups et al., and discuss the influences of microstructures on the diffusion properties, adsorption performance, optical properties, stability, energy band structure, carrier transport behaviors, quantum efficiency, conversion rate and directional selectivity. We also investigate the behavior mechanism of diffusion, adsorption, transfer, decomposition and transformation process of CO2 molecules as well as the thermodynamic/dynamic laws of diffusion, adsorption and photocatalytic fuel conversion process of CO2 molecules. This project is expected to give reliable scientific basis and technical support for the resource utilization of CO2, and further provide valuable theoretical basis and practical experience for the interdisciplinarity development of material chemistry, environmental chemistry and energy chemistry.

针对CO2引起的生态环境问题，可控构建M1@g-C3N4光催化纳米反应器，解决g-C3N4及其改性材料难于同时提高CO2的催化转化速率和定向选择性等关键问题，实现快速、高效、高选择性地光催化CO2燃料转化。研究比表面积、空间尺寸、形貌、缺陷、界面、官能团等微观结构的调控规律；讨论微观结构对扩散性质、吸附性能、光学性质、稳定性能、能带结构、载流子输运行为、量子效率、转化速率及定向选择性的影响规律；研究CO2分子的扩散、吸附、转移、分解、转化过程的行为机理以及CO2分子的扩散、吸附过程和光催化燃料转化过程的热/动力学规律。本项目有望为CO2的资源化利用提供可靠的科学依据和技术支撑，为材料化学、环境化学及能源化学的学科交叉发展提供有价值的理论基础和实践经验。

二氧化碳（CO2）是主要温室气体之一，其过度排放将加剧“温室效应”，引发气候异常、新型病虫害出现、流行病扩散、生态环境破坏等问题。据国际能源署于2018年3月发布的《全球能源和CO2状况报告》显示，2017年全球与能源相关的CO2排放量增加了4.6亿吨，达到325亿吨，特别是我国CO2排放量高达9.1亿吨，增加了1.5亿吨。如此庞大排放量的CO2作为潜在的碳资源，如果将其催化转化为清洁燃料进行资源化利用，不但可以缓解“温室效应”保护生态环境，而且有助于解决能源短缺问题。基于此，本项目采用多种方法制备了Ru、Au、Rh等修饰g-C3N4的高效单原子光催化剂，实现了可高效光催化CO2燃料转化。另外，本项目还制备了异/同质结构型、有机小分子掺杂/修饰型及元素掺杂型等g-C3N4基光催化剂，在CO2还原、分解水制氢及有机污染物降解方面显示出优异的光催化性能。本项目实现了对光催化剂微观结构、形貌、组成的有效控制，揭示微观结构与形貌的调控机制；阐明了光催化剂微观结构对其光学性质、稳定性能、能带结构、载流子输运行为及催化性能的影响规律，揭示了构效关系；澄清了载流子的传输、转移、分离、富集过程的行为机制；揭示了反应分子在光催化剂表面位点的作用机制与反应机理。本项目为太阳能光催化技术的产业化应用提供了可行的解决方案和技术支撑，为材料化学、能源化学及化学工程等学科交叉发展提供了有价值的理论基础和实践经验。