南京大學閆世成課題組丨ACS Catalysis：直接分解氧化物分子供氧

【引言】

保護環境是實現人類社會可持續發展的基本前提，消除氣態氧化物分子污染物，如CO_x (CO₂，CO)，SO_x (SO₂，SO₃)，NO_x (NO，NO₂) 等，對構建和諧生態環境具有重要意義。傳統的氧化物分子轉化技術，需要使用還原劑和昂貴的貴金屬催化劑，因而成本和能耗較高。光催化利用太陽光激發半導體材料產生電子-空穴對驅動氧化還原反應，被認為是一種潛在的低成本、低能耗的催化反應技術。然而，由于氧化物分子通常是熱力學穩定的，這導致直接分解這一類分子為單質十分困難，如何抑制中間產物逆反應過程是實現氧化物分子分解的關鍵所在。

【成果簡介】

近期，南京大學現代工程與應用科學院閆世成課題組報道了一種利用光致缺陷輔助直接分解氧化物分子產生氧氣的反應途徑，相關工作以Oxygen-Vacancies Activated CO₂ Splitting over Amorphous Oxide Semiconductor Photocatalyst為題發表在美國化學會催化期刊ACS Catalysis雜志上(ACS Catal. 2018, 8, 516?525)。該反應利用光腐蝕反應，通過光生空穴與氧化物半導體材料中的O原子反應產生氧缺陷，以活化、捕獲目標氣體分子中的O原子。因氧化物分子中的氧原子被催化劑晶格氧空位捕獲而有效抑制了逆反應過程，并因光生空穴的持續性氧化而釋放O₂；光生電子將目標分子CO_x，SO_x，NO_x中的C、S和N物種還原為相應的C、S和N₂。

【圖文導讀】

圖1 光催化分解CO₂反應機理示意圖

圖2 樣品EPR及紫外可見吸收光譜

(a)?樣品不同光照時間的室溫EPR譜；

(b)?樣品不同光照時間的紫外可見吸收譜。

圖3?CO₂分解的實驗和理論證據

(a) 樣品分別在CO₂環境和真空條件下光照48h的室溫EPR譜；

(b) 樣品在C¹⁸O₂ 和¹³CO₂光照下的二次離子質譜；

(c) 原樣及其在CO₂環境下光照48h的NMR譜；

(d) CO₂吸附在樣品表面的電荷密度差異。

圖4 樣品產碳量、量子效率及反應機理

(a) 光致氧空位濃度與碳產率關系；

(b) CO₂分解反應量子效率；

(c) 光催化材料的能級位置與CO₂分解能量需求；

(d) 分子分解反應經歷了兩個光反應與兩個暗反應步驟。

【小結】

本研究利用光腐蝕反應產生氧空位以捕獲和活化氣體氧化物分子，將其直接分解產生氧氣。這一反應途徑所需能量消耗較低，并且可以實現持續性光照分解氣態分子產O₂，是一種理想的密閉空間內移除氣態氧化物分子供氧的技術，在太空探索（比如載人宇宙飛行器）、海洋探索（比如水下載人勘探）、民防工程以及大型公共密閉空間內的生態系統構建方面具有潛在的應用前景。

原文連接：Oxygen-Vacancy-Activated CO_2?Splitting over Amorphous Oxide Semiconductor Photocatalyst

本文由材料人特約作者吳禹翰邀請，閆世成課題組撰稿，特此感謝。