Energy & Environmental Science: 天然催化劑可見光催化還原CO2

【引言】

利用半導體參與的光催化策略將溫室氣體CO₂轉化為高附加值燃料的同時降低其含量，是解決能源短缺和溫室效應問題的理想方法之一。分級中空結構在光催化還原CO₂中得到廣泛應用，由于其能賦予光催化劑更高密度的表面暴露活性位點以加速CO₂吸附，降低從體相到表面的擴散長度以促進光生電荷載流子的分離以及通過內部多光散射和反射提高可見光捕獲性能。具有多種尺度和分級形態的生物材料引起了研究人員的極大興趣。在各種生物材料中，具有均勻碳骨架的花粉由于其大孔隙體積、高表面積和獨特的3D網絡結構而被應用于各種領域。與傳統的化學合成相比，花粉衍生材料的制備過程也更加經濟環保。

【成果簡介】

近日，香港中文大學王保強教授、武漢理工大學余家國教授、廣東工業大學安太成教授(共同通訊作者)等制備了一種非金屬生物材料——分級改性油菜花粉(TRP)作為可見光催化還原CO₂的催化劑，并在Energy & Environmental Science上發表了題為“Nature-Based Catalyst for Visible-Light-Driven Photocatalytic CO₂ Reduction”的研究論文。論文的第一作者為姜志鋒博士。所述TRP催化劑在不使用助催化劑或犧牲試劑的情況下，一氧化碳(CO)的生成速率可達到488.4 μmol·h^-1·g^-1，選擇性可達到98.3%，420nm處量子效率超過6.7%。且TRP催化劑的CO生成速率遠高于常見的光催化劑，如g-C₃N₄(16.6μmol·h^-1·g^-1，高29.4倍)和P25 TiO₂ (19.1μmol·h^-1·g^-1，高25.6倍)，是已報道的碳基光催化劑中最高的。原位傅里葉變換紅外光譜分析揭示甲酸是主要的中間體。上述天然的可持續光催化劑可以為設計具有突出的可見光驅動還原CO₂性能的非金屬催化劑提供新的視角。

【圖文簡介】

圖1 TRP顆粒的形貌表征

a-c) TRP顆粒的FESEM圖像；

d,e) TRP顆粒的HAADF-STEM圖像；

f) TRP顆粒的HRTEM圖像；

g) 單個TRP顆粒的FESEM圖像以及相應的元素分布圖像。

圖2 TRP顆粒的光催化還原CO₂性能

a) 不同催化劑產生CO和CH₄的比較；

b,c) 以¹³CO₂同位素為碳源產生CO/CH₄的GC-MS分析。

圖3 不同反應條件下的CO產生實驗

a) 不同溫度下的CO產生實驗；

b) 不同催化劑含量下的CO產生實驗；

c) 不同光密度下的CO產生實驗；

d) 單色光照射下隨波長變化的TRP催化劑QE。

圖4 TRP顆粒的原位紅外測試

TRP催化劑共吸附CO₂和H₂O混合氣暗反應/可見光(LED lamp, λ= 420 nm)照射20, 40, 60 min下的原位FTIR光譜。

圖5 TRP的CO₂吸附性能及缺陷態測試

a) TRP和g-C₃N₄的吸附CO₂性能測試；

b) TRP和g-C₃N₄的缺陷態測試。

圖6 TRP的載流子分離遷移效率測試

a) 開路電壓曲線(可見光關閉后歸一化)；

b) 光致發光光譜；

c) 伏安圖；

d) 表面光電壓譜。

【小結】

研究人員利用低成本和簡便的策略制備了TRP生物材料，并將其作為用于日光驅動的光催化還原CO₂的非金屬催化劑。TRP催化劑獨特的分級、中空和多孔特征有利于光吸收、CO₂分子吸附和電荷分離，與大多數報道的非金屬可見光驅動的光催化劑相比，具有增強的光催化還原CO₂性能。可以設想，該文介紹的簡便有效的方法也可以擴展于創造其他用于光催化CO₂還原的仿生非金屬材料以生產可持續燃料。

文獻鏈接： Nature-Based Catalyst for Visible-Light-Driven Photocatalytic CO₂ Reduction (Energy & Environmental Science, 2018, DOI: 10.1039/C8EE01781F)

【通訊作者簡介】

王保強教授，香港中文大學生命科學院教授，博士生導師。1979年畢業于香港中文大學生物系并獲生物學碩士學位，1983年獲美國加州大學微生物學博士學位。現任香港中文大學環境科學Program副主任，同時擔任廣東工業大學、華南理工大學、華中師范大學、南開大學客座教授，J. Environ. Sci.雜志副主編、Environ. Geochem. Health 雜志Coordinating Editor, Ecotox. Environ. Safe. 雜志編委。目前從事環境微生物技術與應用及其光催化殺菌,產氫、二氧化碳還原以及微生物協同產氫機理等方面的研究，并在Adv. Mater.,Environ. Sci. Technol., Water Research等期刊上發表論文200余篇。

余家國教授，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室學科首席教授、博導、湖北省“楚天學者”計劃特聘教授、新世紀百千萬人才工程國家級人選、國家杰出青年基金獲得者。團隊主要從事半導體光催化材料、光催化分解水產氫、光催化CO₂還原、室內空氣凈化等方面的研究工作。團隊已在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等國內外期刊上發表SCI收錄論文400余篇，研究成果獲得2014年國家自然科學二等獎。

安太成教授，廣東工業大學學術委員會主任、廣東工業大學環境健康與污染控制研究院院長，國家杰出青年科學基金獲得者，教育部“長江學者”特聘教授。長期從事新興有機污染物的環境地球化學健康、環境化學過程機制、光化學轉化與光催化降解機理等方面的研究工作。重點開展有關環境大氣和水體中毒害有機物環境凈化消除與污染控制風險消減方面的應用基礎與研發工作。在國內外相關領域的高水平期刊上接受和發表SCI論文220余篇，SCI他引近3000余次。入選Elsevier發布的2014年和2015年中國高被引學者榜單(環境科學)。

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