富金属生物质水热碳制备及其在光催化二氧化碳还原中的机理研究

The emission of CO2 has caused serious global warming and climate change. This is one of the most concerned problems nowadays. The burning of biomass wastes like straw is one of the major sources of CO2 emission. Today, the treatment of biomass wastes, especially those containing metals, has attracted extensive attention. In this project, we plan to synthesize hydrothermal carbonaceous carbon (HTCC) via hydrothermal method by using biomass waste, especially hyperaccumulator, and realize its application in photocatalytic carbon dioxide reduction. The as prepared HTCC contains sp2 hybridized units, which are able to generate photoexcited electrons and holes. In this project, we plan to study the reducing power of the photoexcited electrons on CO2 molecules. We will investigate the effect of metal elements and non-carbohydrate components in the biomass on the morphology and electronic property of HTCC and activity in CO2 reduction, especially the metal-inducing selectivity of CO2 reduction products. Also, the intermediates, catalytic path and mechanism during CO2 reduction will be studied by transient absorption spectroscopy, electrochemical methods, and first principle calculation like VASP. The biomass wastes that may cause CO2 emission from burning could be converted into new generation of ecological environment materials by turning them into HTCC, which can be used for CO2 reduction.

二氧化碳温室气体的排放造成的全球气候变化已成为全世界最关心的问题之一。稻草等生物质废料的燃烧一直是二氧化碳排放的重要来源，如何处理生物质废料特别是富含重金属的生物质废料，近年来备受关注。本项目计划通过水热法处理超富集植物这种富金属生物质，制备水热碳复合物，将其用于光催化二氧化碳还原。水热碳中含有的sp2杂化基团在光照下可以产生大量光生电子，本项目计划研究其光生电子对于二氧化碳的还原能力。同时，研究在超富集植物中，除碳水化合物外的其它组分和植物中不同类型的金属对水热碳形貌、结构、半导体特征的影响。着重考察不同类型金属对二氧化碳还原产物选择性的影响。此外，通过瞬态吸收光谱、电化学手段、VASP第一性原理计算等深入探讨水热碳的光催化二氧化碳还原中间产物，反应路径和机理。最终，实现这类生物质废料的资源化利用，减少因为直接燃烧而产生的二氧化碳，把它们转化为可用于光催化还原二氧化碳的新型生态环境材料。

二氧化碳气体排放造成的全球气候变化，已成为全世界最关心的问题之一。在人类生活与生产中，稻草等生物质废料的燃烧一直是二氧化碳排放的一个重要来源。因此，发现生物质废料的处理方法，对二氧化碳减排、生物质资源化利用这些重要问题都非常关键。在本项目的支持下，我们利用水热法将重金属与生物质废料合成了水热碳和水热碳/金属复合光催化剂，在可见光下实现了高效的二氧化碳还原产一氧化碳，该研究一方面发明了处理重金属与生物质废料的新方法，另一方面提供了一种便宜易得的光催化二氧化碳还原催化剂的制备方法，我们已成功将葡萄糖、纤维素、稻草制备成水热碳催化剂，利用生物质这类可再生的、价格便宜的原料制备光催化剂也符合我国碳中和碳达峰的目标。在此研究基础上，我们进一步发展了多种水热碳催化剂，并成功制备了水热碳二维材料，利用二维材料的特征提高其电荷传输效率。并利用它们与氧化铁的结合达到高效光生电荷的利用率。进一步，除了二氧化碳外，我们还发现了水热碳在光催化高效氧气还原产双氧水的新应有和，产生的双氧水目前处于所有碳材料的最高值。利用水热碳氧还原产生的双氧水能用到高效还原去除Cr(VI)与高级氧化降解污染物。最后，除了水热碳，我们还进一步发展了其它高效的二氧化碳还原催化剂，包括铜/二氧化钛、二氧化锡，铜铟镓硒、纤维相红磷、双功能氮化碳、红磷/金单原子等。不只实现了二氧化碳还原产单碳产物一氧化碳与甲烷等，还实现了高效的二氧化碳还原产双碳产物乙烷等。最高的乙烷选择性达到了96%。在本项目的支持下，共发表研究论文46篇，其中申请人以第一/通讯作者身份发表论文37篇，主要包括2篇Angewandte Chemie-International Edition，1篇Journal of the American Chemical Society，3篇Advanced Functional Materials，1篇ACS Catalysis, 1篇Small, 5篇Applied Catalysis B-Environmental等。获得9项发明专利授权。