生物质硅基复合光催化剂转化CO2为碳氢物质的基础研究

In industrial production, the widespread use of fossil fuels has led to the massive discharge of greenhouse gases, which has caused humanity to face the crisis of energy depletion and environmental degradation. Therefore, it is particularly urgent to explore technologies for efficient use of renewable energy and CO2 emission reduction. The project will intend to study a method for preparing cheap and efficient silicon-based nanocomposite photocatalysts using agricultural waste rice husks by using solar energy to drive photocatalytic reduction of CO2 into hydrocarbons. Basing on nanotechnology to explore the law between heterogeneous structure and catalytic performance, optimize the preparation scheme and break through the limitations of current photocatalytic efficiency. Furthermore, the photoelectrochemical method will be used to study the physicochemical mechanism of photocatalyst with various heterostructures in the process of reducing CO2 to break the limitations that the current reaction mechanism is not perfect. In addition, a tubular continuous gas converter for membrane catalysts will be designed, and the activity of the catalyst under different conditions, as well as the separation and regeneration performance, will be explored to realize the potential evaluation of catalyst application and the basic research on the practical application of related technologies. The proposed research will provide a new way for the utilization of agricultural waste resources, reduce the cost of catalysts, improve the efficiency of CO2 conversion, and promote the development of solar energy utilization and nanocatalyst preparation technology.

在工业生产中，化石燃料的广泛使用导致了温室气体的大量排放，使人类面临能源枯竭和环境恶化的危机，因而探索可再生能源高效利用和CO2减排的技术变得尤为迫切。本项目拟围绕利用太阳能驱动光催化还原CO2转化为碳氢物质的路径，研究一种利用农业废弃物稻壳制备廉价和高效的硅纳米复合光催化剂的方法。基于纳米技术探索异质结构与催化性能之间的规律，优化制备方案，突破目前光催化效率低的局限性。再进一步利用光电化学法深入研究多种异质结构的光催化剂还原CO2过程的理化机理，突破目前反应机理不完善的局限性。此外，设计一种膜式催化剂的管式连续进气转化装置，并且探索催化剂在不同使用条件下的活性，及分离与再生重复使用性能，以实现对催化剂应用潜力评价和相关技术的实际应用的基础研究。拟开展的研究将为农业废弃物资源化利用提供一种新的途径，降低催化剂的成本，提高CO2转化效率，及推动太阳能利用和纳米催化剂制备技术的发展。

CO2捕集利用和封存（CCUS）技术是长期大规模利用CO2和实现我国“双碳”重大战略目标的有效路径。光催化还原CO2可以应对能源需求的急剧增长，日益严重的环境问题以及可再生能源的创新使用问题。本项目围绕纳米复合材料设计的策略，利用农业废弃物作为催化剂制备原料，研究异质结构和多种形貌的控制方法，探索其影响光催化性能的规律，开发了具有高稳定性、廉价、高活性和高选择性的硅纳米复合光催化剂，如TPS/g-C3N4纳米管复合光催化剂、硅/钨酸铋异质结光催化剂、介孔硅负载钨酸铋光催化剂、复合型Cu2O/g-C3N4纳米管光催化剂、TiO2/UTSA-16光催化剂、静电法钨酸铋纳米颗粒光催化剂等。制备的光催化剂可以实现在自主搭建的光催化反应体系中高效率生成碳氢物质，乙醇产率最高可达402.76 μmol/g，经过光催化活性和光电流测量的重复性实验证明了其出色的工作稳定性，说明了其为将CO2还原为碳氢物质的有前景的光催化剂。针对其优异性能，从光催化剂的光吸收及响应能力，光激发电子空穴对的产生与迁移、电子空穴对的复合效率、氧化还原能带位置、费米能级等方面对光催化反应各流程的独特性质及光催化反应机理进行了深入研究。基于纳米尺度的催化剂设计与制备以及相关的催化性能探索，实现了多种纳米异质形貌的设计与优化。发现了在原位生长水热法构建的异质结构中，光催化剂的能带结构成交错状排布，光生电子-空穴对向相反的方向迁移，使重组率大大降低，复合催化剂的光电特性也出现不同程度的改善。基于光电化学法分析了催化剂的由可见光驱动的电流、电压和阻抗等电化学特性，研究了异质结构对电子-空穴重组速率和电荷转移方向的影响因素机制。揭示了提高光生电荷的还原电势和分离转移效率，可降低了电荷转移电阻，并抑制空穴-电子对重组的机制。提出了费米能级向价带偏移可使以自由电子为主要导电方式的n型半导体的空穴产生能力明显增加，通过增加氧化端的反应能力降低还原端的限制效果，达到了明显的光催化还原CO2性能的提升。本项目开展的研究对冶金工程与能源材料交叉学科领域相关的清洁能源利用、生物质资源化利用、CO2转化、纳米催化剂等理论与技术的发展具有重要的推动作用。