Nat.Commun. 福建物構所-銀修飾納米氧化鋅光催化氧化甲烷

lyh_wv 7年前 (2016-07-29) 5806瀏覽

近年來，隨著環境污染與氣候變化，甲烷排放的負面影響越來越受到人們的關注。與其他的溫室氣體相比，甲烷的溫室氣體效應是同樣當量二氧化碳的五倍多，近五分之一的氣候變暖是甲烷造成的。因此，將甲烷氣體轉化為同物質的量的二氧化碳，這對于應對全球變暖具有非常積極的意義。在過去的幾十年里，人們采用了貴金屬或過渡族金屬氧化物進行熱催化甲烷，但是這種方法存在反應溫度高以及甲烷的催化效率低等缺點。另一種方法是半導體光催化，這種方法在光解水和環境治理上也表現出非常好的前景。先前已經報道了半導體可以在室溫下光催化甲烷，但是催化效率仍然相當低。

在本項工作中，福建物構所的易志國（通訊作者）研究團隊將氧化鋅的粒徑減小到納米量級后，在模擬太陽光照條件下，納米氧化鋅對甲烷氧化表現出很高的活性，而納米銀修飾的氧化鋅通過表面等離子體共振進一步提高了光催化活性。在波長小于400nm的范圍，銀修飾的氧化鋅納米結構獲得了8%的高量子產率，波長為470nm時，高量子產率超過0.1%，這種納米結構顯示出催化氧化氣體甲烷的巨大潛力。而且，這種納米顆粒復合材料還能有效地光催化小分子烴，如乙烷、丙烷、乙烯，尤其是能促使甲烷脫氫生成乙烷、乙烯等。最后在實驗結果的基礎上，提出了一個兩步光催化反應過程來解釋甲烷的光氧化。

【圖文注解】
圖1、材料設計上的考慮。

（a）極性結構有利于光生電子和空穴的快速分離和運輸。
（b）大量的表面缺陷有利于表面反應。
（c）修飾的金屬納米結構可以同時作為助催化劑和光收集介質。

圖2、催化劑的物理表征。

（a）0.1 wt% Ag修飾的ZnO (0.1-Ag)粉末的室溫XRD花樣。
（b）有Ag修飾（紅色線）和沒有銀裝飾（黑色線）的ZnO紫外-可見漫反射光譜。
（c）0.1-Ag粉末的SEM圖像，（d）0.1- Ag粉末的TEM圖像。
（e，f）0.1- Ag樣品的HRTEM圖像。
比例尺：100nm (c), 20nm (d) 和2 nm (e,f).

圖3、光催化氧化甲烷的性能表征。

（a）分別在紫外-可見光、紫外光、可見光三個固定模式下測試甲烷的光催化氧化。為了做對比，圖中展示了在相同的測試條件下，分別測試商業化生產的TiO2（P25），商業化生產的ZnO（ZnO-C）以及采用本文章方法制備的ZnO的光活性。
（b）紫外-可見漫反射光譜和0.1- Ag樣品的平均量子產率，自變量為自然光波長。平均量子產率在波長中間段的擬合，中間波長的偏差為λ±12 nm。
（c）在紫外-可見光全譜模式和不同初始濃度的甲烷下，0.1- Ag樣品光氧化甲烷隨時間變化。
（d）在紫外-可見光全譜照射模式下，溫度對0.1-Ag 樣品光氧化甲烷活性的影響。
（e）在完全光照以及氣體流動速率為25 ml min-1的條件下， 0.1-Ag樣品光氧化甲烷的活性。
（f）在流動的氣體模式下，氣體流動速率對甲烷光氧化速率的影響。

圖4、光催化CH4氧化的機理研究。