GeS气溶胶/MOFs复合多孔纳米材料可见光催化CO2和H2O合成甲醇的研究

本项目主要涉及研究新型多孔纳米复合可见光催化剂的制备及其光催化还原CO2和H2O合成甲醇的机理和生物毒理学研究。它是以具有高比表面积且结构与性能可调的多孔纳米载体（MOFs及碳纳米管等）为载体，把具有较好可见光催化活性的纳米半导体气凝胶（GeS、GeSe、CdS和ZnS等）负载到多孔载体表面上，研制出同时具有高比表面积、可见光活性及良好的环境生物相容性的新型多孔纳米复合可见光催化剂，这是项目的重要创新之处。研究内容属界面科学、材料科学、化学工程及生命科学相互交叉的研究领域。在理论层面上，主要研究多孔纳米复合可见光催化剂催化还原CO2和H2O合成甲醇的机理及其生物毒理性质。在技术层面上，掌握GeS气溶胶/MOFs多孔纳米复合可见光催化剂的制备技术及性能调控方法，并建立以H2O为还原剂催化还原CO2并合成甲醇的工艺过程。研究成果将为温室气体的利用、缓解能源危机及纳米安全提供理论和技术支持。

本项目主要涉及研究新型多孔纳米复合可见光催化剂的制备及其光催化还原CO2和H2O合成甲醇的机理研究。以具有高比表面积且结构与性能可调的多孔纳米材料（MOFs、TiO2及SiC等）为载体，把具有较好可见光催化活性的纳米半导体（GeS气凝胶、CdS和Cu2O等）负载到多孔载体表面上，研制出同时具有高比表面积及可见光活性的新型多孔纳米复合可见光催化剂。在理论层面上，本项目主要研究光催化还原CO2和H2O合成甲醇的性能与光催化剂结构及其CO2的吸附性能的相互关系。在技术层面上，掌握多孔纳米复合可见光催化剂的制备技术及性能调控方法。课题组设计合成了[Cu8Ge5S16]簇、Cu2GeS3和Pt2Ge4S10等几种GeS簇，其中[Cu8Ge5S16]簇具有较好的光催化活性，过5小时反应，其甲醇产量达到405μmol/g。与此同时，合成了三种Cu咪唑框架、[Cu(2-pymo)2] 和 [Cu(dca)2(Pyrazine)]n等几种MOfs，发现斜方晶Cu咪唑光催化合成甲醇产量达到1712.7μmol/g，其值是单斜晶系的三倍。而CuO/Cu-TPA光催化剂也表现了较好的光催化活性，最高甲醇产量可以达到1712.7μmol/g。此外，也合成了CdS(Bi2S3)/TiO2纳米管、Cu2O/SiC、Bi2S3/CdS及Cu/Cu2O等离子纳米光催化剂等新型复合光催化剂，首次报道CO2在CdS(Bi2S3)/TiO2纳米管催化剂上的吸附均较好地符合Freundlich等温线方程。并发现CO2的吸附性能对其光催化还原CO2的性能有重要影响。在可见光照射5h后，Bi2S3/TiO2纳米管光催化剂催化生成的甲醇含量是224.6 μmol/g，为TiO2纳米管的2.2倍。Cu2O展现了较好地光催化还原CO2合成甲醇的性，Cu2O/SiC 和Cu/Cu2O等离子纳米光催化剂的光催化合成甲醇的产量可以分别达到191μmol/g和650.3 μmol/g。研究成果将为温室气体的利用及缓解能源危机提供理论和技术支持。