分级多孔过渡金属钛酸盐基光还原CO2催化剂的设计合成及表面改性

In view of scientific problems of the poor activity and unreasonable energy band structure of titanates for photocatalytic CO2 reduction, this project proposed structure design, band-gap turning strategies to prepare hierarchical porous transition-metal-titanates(TMT) based photoreduction CO2 catalyst and their surface alkalization modification. Methods such as soft-hard template and freeze dry were intended use to control the hierarchical porous structures, Mg, Ca, Sr and other alkaline earth metal were selected to turn the energy band structure of TMT, in order to improve the position of the conduction band and to prepare hierarchical porous TMT base photoreduction CO2 catalyst. Wet chemical or other effective methods were used to enhance the surface alkalization of TMT based photocatalsts and improve the surface adsorption capacity of CO2 and other reactants, to enhance their photocatalytic properties. Combining the time-resolved spectroscopy and thermogravimetry-infrared technology, the influence of material composition, surface/ interface chemistries on the photocatalytic properties are in-depth studied. We aim to develop new, stable and high activity titanates base photocatalysts for reduction CO2 and provide experimental and theoretical basis for the research of perovskite based photocatalyst, to further enrich photocatalytic CO2reduction catalysts system.

针对钛酸盐光还原CO2催化剂活性相对较差，能带结构不合理等科学问题，本项目拟提出通过结构设计和能带调控策略制备多孔分级结构过渡金属钛酸盐基光还原CO2催化剂及其表面碱改性的构想。拟采用软硬模板法、冻干法等实现分级多孔结构控制合成，选择Mg、Ca、Sr等碱土金属调控过渡金属钛酸盐的能带结构，以提高材料导带位置，制备分级多孔过渡金属钛酸盐基光还原CO2催化剂。利用湿化学等方法对分级多孔过渡金属钛酸盐基光还原CO2催化剂进行表面碱化改性，提高CO2等反应物的表面吸附能力，提升材料的光催化性能。结合时间分辨光谱技术和热重-红外技术等，深入探究材料组成、表界面化学对材料光催化性能的影响。开发新型、稳定、高活性的钛酸盐基光还原CO2催化剂，为钙钛矿型光催化剂的研究提供实验和理论依据，丰富光催化还原CO2的催化剂材料体系。

基于半导体光催化剂的太阳能光催化二氧化碳还原等光催化太阳能燃料生产和环境净化过程具有重要的科学意义。制备高活性的光催化剂并充分认识催化剂结构与性能的构效关系是重点。本项目从无机合成与制备化学出发，通过前驱体策略等制备系列纳米钛酸盐光催化剂，并通过表面掺杂改性、电子调控平台引入等，促进电荷分离、提高表面吸附和催化能力，提高其光催化活性。进一步，结合当前可见光催化的国际研究热点和未来发展趋势，我们将提出和发展的宽带隙平台电子调控策略，成功拓展至其他窄带隙纳米氧化物体系，解决了其可见光生电子利用率低、电荷分离差等关键科学问题，有效调控了其可见光生电子，促进了其光生电荷的有效分离，进而提高其光催化活性。项目组也针对国际明星光催化材料氮化碳展开了研究工作，针对其光生电荷分离差、光生电子寿命短等关键科学问题提出了基于钛酸盐等复合宽带隙平台调控可见光生电子的改性策略，有效改善了其可见光催化二氧化碳还原等的活性。在项目资助下，制备了系列具有高光催化活性的纳米钛酸盐等无机半导体催化剂材料，用于光催化还原二氧化碳等光催化环境能源转化过程。同时，也注重利用瞬态光伏和时间分辨荧光光谱等超快光谱技术，表面光电压谱、光电化学、程序升温脱附等，分别研究光生载流子的动力学过程、光生电荷分离和表面吸附动力学等光催化过程，深入揭示半导体光催化剂的表面结构、电子调控平台引入与电荷分离和反应物吸附之间的关系，为获得高活性半导体光催化剂提供理论和实验依据。在项目资助下，共发表SCI论文38篇，其中影响因子大于6的一区SCI文章23篇。申请国家发明专利3项，其中2项已获授权。