纳米氧化铈的制备改性与可见光催化还原CO2活性研究

Fabrication and modification of photocatalytic materials with visible-light responsivity and high activity is a hot topic and a frontier in photocatalysis. In this project, we will utilize a microwave-assisted hydrothermal method to synthesize nanoscaled ceria, aiming to tune the morphology (one-dimensional nanorods, two-dimensional nanosheets and three-dimensional nanocubes etc.) and surface structure (exposed facets, surface atomic arrangement, surface defects etc.). In order to enable the as-prepared ceria visible-light responsive, doping metal species (Fe，Co，Mn，Ti，Sm etc.) and depositing noble metal (Au, Ag) nanoparticles form noble metal/ doped ceria plasmonic photocatalytic composites. The as-prepared photocatalytic materials are employed to photoreduce CO2 under visible light. The key factors which determine the photoactivity，product selectivity and materials stability, as well as the synergetic effects between doped ceria and noble metal nanoparticles on CO2 photoreduction will be thoroughly addressed. Through this project, we will optimize the synthesis and doping methodologies of nanoscaled ceria, understand the morphology effects of dope ceria from different perspectives，provide insights into plasmonic photocatalysis, and offer promising new strategies in developing novel and efficient photocatalytic techniques for solar energy-driven CO2 reduction.

高活性可见光响应光催化材料的制备与改性是光催化领域的前沿和热点研究问题。本项目提出用微波水热法制备纳米氧化铈, 以实现对其形貌（一维纳米棒、二维纳米片、三维纳米块等)和表面结构（暴露晶面、表面原子排列、表面缺陷等）的有效调控。为增强纳米氧化铈对可见光的响应, 对其掺杂金属（Fe，Co，Mn，Ti，Sm等）和负载贵金属（Au, Ag）纳米粒子以构建贵金属/掺杂氧化铈等离子体纳米复合光催化材料，并将其应用于可见光催化还原CO2反应。深入研究影响光催化活性、还原产物选择性和材料稳定性的关键因素，探明掺杂氧化铈与金属纳米粒子之间的光催化协同增效机制。该项目的开展将改进纳米氧化铈的制备改性技术，促进多角度认识掺杂氧化铈的形貌效应，丰富等离子体光催化的理论知识，并为开发新型高效太阳能还原CO2光催化技术提供新思路。

石墨烯的发现引起了科学家探索新型超薄二维材料的巨大兴趣。和块体材料相比，超薄二维材料可能具有独特的物理和化学性质，并可以与其他材料结合形成多种新型复合材料。为实现“碳中和”目标，人工光合作用，包括裂解水制 “绿氢”、二氧化碳光还原制备高附加值化学品、消除污染物等，将扮演重要角色。一般情况下，光催化材料光生载流子存在严重复合，极大降低光催化的效率。将二维材料作为催化剂或助催化剂和其他材料合理构筑为复合光催化材料，是提升光催化活性能最有效的方式之一。本项目通过制备基于超薄二维材料，包括黑磷（BP）、石墨相氮化碳（g-C3N4）、二硫化钼（MoS2）、碳化钛迈科烯（Ti3C2MXene），石墨烯纳米带 (GNRs), 四硫化二铟合锌（ZnIn2S4）等一系列复合材料，研究复合材料在裂解水制氢、二氧化碳光还原、消除污染物的增强机制。重要代表性结果如下：(1) 采用超声液相剥离的方法制备BP纳米片，然后用研磨和超声方法将BP纳米片分布在CdS纳米球表面。最后采用光沉积在BP/CdS异质结构表面沉积Pt单原子。在可见光下0.5 wt% Pt-5 wt% BP/CdS产氢速率为42.17 mmol h−1g−1，比CdS的活性高出约96倍。 此外，在420 nm光激发下, 表观量子效率可达46%。(2) 采用水热法将二维ZnIn2S4负载在三维掺氮石墨烯泡沫（NGF）表面。1.0 wt% NGF/ZnIn2S4在模拟太阳光下可将将CO2 转化为CH4, CO and CH3OH，速率分别是1.01, 2.45 and 1.37 μmol g–1 h–1 ，分别是ZnIn2S4的 9.1, 3.5 and 5.9倍。(3) 采用一步溶剂热法在Ti3C2MXene表面原位生长三氧化钨（WO3）纳米片，以构建Ti3C2MXene/WO3异质结。3 wt% Ti3C2MXene/WO3降解典型抗生素盐酸四环素速率为16.08 × 10−3 min−1，是WO3降解速率的9倍。本项目工作揭示了基于多种超薄二维材料复合光催化剂体系的协同作用机理，对发展新型光催化体系起着积极推动的作用。