论文部分内容阅读
通过光催化还原的方式将CO2转换成含碳燃料和化学品,可以同时解决化石能源短缺、温室效应的问题。然而,目前光催化还原CO2的性能还不能满足实际生产的要求,限制了该技术的广泛应用。本论文针对光催化还原CO2效率低和选择性差的问题,以超薄TiO2基光催化剂为研究对象,通过引入缺陷至超薄TiO2纳米结构、构建超薄异质结构TiO2@BiOCl和TiO2@NH2-MIL101(Cr)的方法,改善催化剂光催化还原CO2的催化效率和产物选择性。本论文提出的氢扩散进出晶格、双金属位、界面效应对光催化还原CO2反应的协同调控机理,为新型高效还原CO2光催化剂的设计、制备、优化提供了新的策略。论文的研究工作具体包括以下三个部分:(1)氢扩散进入与脱出富缺陷超薄TiO2晶格机制,提升光催化还原CO2活性和CH4选择性。光催化还原CO2过程中,氢扩散进出富氧空位超薄TiO2结构晶格,引入更多氧空位,缩短带隙增强光利用率,提升光催化效率。同时,该氢扩散进出晶格的过程为光催化还原反应提供丰富氢源,为选择性生成CH4提供有利条件。(2)BiO单原子桥接的富缺陷超薄TiO2与BiOCl纳米片界面,调控光催化还原CO2活性和CH4选择性。构筑富氧空位超薄TiO2@BiOCl复合光催化剂,其超薄富缺陷TiO2结构同样允许氢扩散进出晶格。催化过程中,其界面处还原出BiO单原子,重构出TiO2-Bi0-BiOCl原子级异质结构。BiO单原子的定向引导和表面氧空位的捕集作用,使光生电子在TiO2纳米管的表面氧空位处富集,极大地提升了催化效率。同时,重构界面处的Bi-Ti双金属位与氢扩散协同作用,促进光催化还原中间体加氢过程,加速CO2向CH4选择性转化。(3)超薄TiO2与NH2-MIL101(Cr)的强配位界面结构,增强光催化还原CO2活性和CO选择性。NH2-MIL101(Cr)在TiO2表面的负载,为CO2的吸附和催化提供了丰富的位点。同时,NH2-MIL101(Cr)配体中的羧基与TiO2形成强配位关系,有效促进光生电子-空穴在界面处的分离、传输。此外,配体与TiO2纳米管表面的协同作用,赋予复合催化剂在可见光波段的催化能力,其特殊的空间配位关系促使CO2向CO的选择性转化。