編號：CYYJ03885
篇名：一維S型異質(zhì)結(jié)W18O49-SiC海膽狀復(fù)合催化劑增強(qiáng)光催化CO2還原
作者：林敏 羅美蘭 柳勇志 沈錦妮 龍金林 張子重
關(guān)鍵詞： 一維異質(zhì)結(jié) S型 海膽狀結(jié)構(gòu) CO2還原 SiC-W18O49
機(jī)構(gòu)： 福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院能源與環(huán)境光催化國家重點(diǎn)實(shí)驗室 清源創(chuàng)新實(shí)驗室
摘要： 光催化轉(zhuǎn)化CO2與H2O反應(yīng)生成燃料或化學(xué)品是一種可持續(xù)太陽能存儲和CO2利用的理想策略.由于CO2還原和H2O氧化的高電位和多重電子傳遞要求,CO2+H2O反應(yīng)過程在動力學(xué)上是一個緩慢的過程,并且光催化劑仍存在可見光響應(yīng)范圍窄、載流子分離效率低的問題.因此,開發(fā)可見光光催化劑實(shí)現(xiàn)有效的CO2還原轉(zhuǎn)化仍然極具挑戰(zhàn)性.構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是提高光催化劑CO2還原性能的重要途徑.單一光催化劑之間以顆粒-顆粒、層-層和核-殼等多種納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合,這樣形成的異質(zhì)結(jié)通常以三維(3D)或二維(2D)的結(jié)構(gòu)模型存在于兩組分催化劑界面.目前,復(fù)合光催化劑的一維(1D)異質(zhì)結(jié)的研究較少.理論上,光催化劑的一維(1D)異質(zhì)結(jié)具有突出的優(yōu)勢,反應(yīng)物分子能夠充分接觸到一維(1D)異質(zhì)結(jié)界面的所有原子以提供更多的反應(yīng)和吸附活性位點(diǎn),還可以增強(qiáng)異質(zhì)結(jié)效應(yīng)對光生電子和空穴的高效率分離,從而有效提高光催化性能.本文采用簡單的溶劑熱法將W18O49納米片原位生長在SiC納米空心球籠上,構(gòu)建了具有海膽狀形貌的S型異質(zhì)結(jié)光催化劑.掃描電鏡證明成功合成了海膽狀形貌的異質(zhì)結(jié).N2吸附-脫附和接觸角測試結(jié)果表明,W18O49納米片在SiC納米球籠表面的生長不僅可以增強(qiáng)復(fù)合催化劑材料的CO2吸附性能,還可以改變SiC納米球籠表面的潤濕性能,提高其對反應(yīng)物H2O分子的親和力.X射線光電子能譜、開爾文探針力顯微鏡和紫外-可見光譜等表征結(jié)果表明,SiC和W18O49之間存在著緊密接觸的S型異質(zhì)結(jié)界面,內(nèi)建電場有助于光生載流子的分離和遷移,從而增強(qiáng)光催化CO2還原性能.該結(jié)構(gòu)催化劑不僅為光催化劑與反應(yīng)物分子的接觸提供了更大的表面積,而且縮短了電子和空穴的擴(kuò)散路徑.這些優(yōu)勢加速了CO2和H2O分子在SiC-W18O49復(fù)合光催化劑表面的反應(yīng)動力學(xué)過程.復(fù)合光催化劑上快速的H2O分子氧化形成更多的質(zhì)子,有利于質(zhì)子參與CO2還原過程.與單一SiC光催化劑主要將CO2還原為CO相比,SiC-W18O49復(fù)合材料不僅光催化活性大大提高,而且產(chǎn)物選擇性發(fā)生了從CO向多質(zhì)子產(chǎn)物CH4和CH3OH轉(zhuǎn)變的顯著變化.SiC-W18O49復(fù)合材料的光催化CO2還原生成CO+CH4+CH3OH產(chǎn)物,總產(chǎn)物生成速率可達(dá)21.87μmolg-1h-1.綜上,復(fù)合光催化劑的異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)和維度結(jié)構(gòu)對光催化CO2還原性能具有重要影響,這對設(shè)計高效CO2還原的異質(zhì)結(jié)光催化劑具有重要參考意義。
