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「綜述」TiO2在光催化CO2還原中的應(yīng)用知多少?(上)
來源:本站 時間:2019-12-19 14:30:11 瀏覽:5790次
【引言】

近年來,由于化石燃料的大量消耗,大氣中CO2含量的增加已經(jīng)引發(fā)了嚴重的環(huán)境污染。在過去的35年間,由化石燃料燃燒所造成的年度CO2排放量呈逐年增長的趨勢(圖1)。CO2對于大氣中熱量的捕獲使得全球的氣溫隨之升高。因此,尋找一種可再生且環(huán)境友好的能源是擺在人類社會面前的緊迫任務(wù)。自從太陽能被認為是一種無排放的綠色能源以來,如何將太陽能轉(zhuǎn)化為有價值的太陽燃料吸引了研究者們大量的關(guān)注。

圖1 1980-2015年間CO2排放量與全球氣溫變化的趨勢圖

在眾多選擇中,將CO2光催化還原轉(zhuǎn)化為諸如CH4、HCO2H、CH2O和CH3OH等綠色太陽燃料被認為是一種極具前景的技術(shù)。自1979年Inoue等人的報道以來,不同種類的半導(dǎo)體,如TiO2、CdS、Fe2O3、g-C3N4、Bi2WO6、Cu2O等都被應(yīng)用在了CO2光催化還原的研究中?;谄涓咝У倪€原性能、低成本以及高度的穩(wěn)定性,TiO2作為最具潛力的光催化CO2還原材料近年來研究頗多。

【光催化CO2還原的反應(yīng)機理】

光催化CO2還原可以模擬自然界中的光合成系統(tǒng),能將入射太陽光能轉(zhuǎn)換為太陽燃料,而無需其他高能輸入設(shè)備。因此,這一過程是用來合成有機燃料被廣泛研究的思路。一般來說,光催化CO2共分為四個主要過程:CO2的吸附、吸收入射光子能量產(chǎn)生電子-空穴對、電子-空穴對的分離及其在光催化材料表面的復(fù)合CO2的還原(圖2)。

圖2 光催化CO2還原的反應(yīng)機理

光催化反應(yīng)開始于CO2在材料表面的吸附,因此,提高TiO2對于CO2的吸附能力是其中的重要步驟。通過增大材料的比表面積和產(chǎn)生更多的表面反應(yīng)活性位都可以達到這一目的。此外,將TiO2表面堿性化也是一種行之有效的思路。當(dāng)TiO2吸收能量大于或等于禁帶寬度的入射光時,電子-空穴對隨之產(chǎn)生,所以縮小TiO2的禁帶寬度則是另一種提高材料性能的方法。利用摻雜或者負載金屬顆粒可以產(chǎn)生更多的電子-空穴對促進反應(yīng)的進行。在光催化反應(yīng)的第三步中,通過引入金屬或者碳基材料可以有效的分離電子和空穴,使其充分參與到氧化還原反應(yīng)中來。然而,CO2分子十分穩(wěn)定,所以只有電子有足夠的潛力參與到CO2還原反應(yīng)中來。因此,在TiO2上的特定反應(yīng)位點上積累足夠多的電子達到多電子轉(zhuǎn)移就極為重要。

【提高光催化CO2還原性能的方法】

在目前的研究中,基于上述光催化反應(yīng)的過程,人們主要使用摻雜、金屬沉積、堿性修飾、形成異質(zhì)結(jié)以及碳基材料的負載五種方法提高TiO2材料的性能。

圖3 提高光催化CO2還原的方法機理

下期我們將帶來提高TiO2材料性能的五種具體方法哦~

未完待續(xù)...

本文內(nèi)容主要基于AppliedSurface Science 392 (2017) 658–686,文末會列出相關(guān)的文獻,感興趣的讀者可以自行下載查看。

【參考文獻】

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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達信息以傳之久遠的方式和工具?,F(xiàn)代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產(chǎn)生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現(xiàn)了國家和民族的書面表達的方式和思維不同。文字使人類進入有歷史記錄的文明社會。
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