Adv. Funct. Mater.：具有空間分離活性位點的La2O3改性LaTiO2N光催化劑助力二氧化碳還原過程

【背景介紹】

使用H₂O作為還原劑將二氧化碳通過光催化轉化為高附加值的太陽能燃料已被視為可持續能源未來發展的重要策略。從動力學上來說，活化二氧化碳分子和促進緩慢的水氧化釋放質子是兩個重要的半反應過程，加速這兩個反應過程的進行可以有效地實現在太陽能驅動下二氧化碳到燃料的轉變。

【成果簡介】

近日，來自南京大學的閆世成副教授（通訊作者）等人提出了一種使用固體堿來修飾具有氧空位缺陷的光催化劑的有效途徑，旨在同時加速兩個半反應過程。為了驗證這一假設，在具有氧空位的LaTiO₂N的表面上修飾La₂O_3?固態堿，實現了二氧化碳還原過程中CH₄產率增加兩倍。其顯著的效果來自以下兩個因素：（1）La₂O₃中作為堿性位點的O^2-有利于CO₂以CO₃^2-形式化學吸附，大大有助于O=C=O鍵的彎曲和CO₂分子的最低未占據分子軌道能量的降低。（2）LaTiO₂N上的氧空位有利于活化H₂O為吸附OH，從而有效降低水氧化反應勢壘，釋放出質子。相關成果以題為“La₂O₃-Modified LaTiO₂N Photocatalyst with Spatially Separated Active Sites Achieving Enhanced CO2?Reduction”發表在了Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖1 XRD\SEM\TEM分析

a）La₂TiO₅，xLa₂O₃/LaTiO₂N（x = 0.5,0.33,0.3和0.16）和純LaTiO₂N的XRD圖

b）La₂TiO₅的SEM圖像

c-e）0.5La₂O₃/LaTiO₂的c）SEM圖像，d）TEM圖像，以及e）HR-TEM晶格圖像

f）0.3La₂O₃/LaTiO₂的HR-TEM晶格圖像

g）純LaTiO₂N的HR-TEM圖像

圖2 紫外可見吸收光譜及XPS光譜分析

a）各種LaTiO₂N樣品的紫外可見吸收光譜

b-d）xLa₂O₃/LaTiO₂N（x = 0.5和0.3）和純LaTiO₂N的b）EPR，c）Ti 2p，和d）O 1s核心級XPS光譜

圖3 CH₄產率分析

a）帶有不同摩爾量La₂O₃的LaTiO₂N的CH₄產率作為照射時間的函數

b）除了第一小時之外，在另外7小時照射下，不同摩爾量的La₂O₃的LaTiO₂N平均CH₄產率

圖4 FT-IR和XPS光譜

a）在黑暗環境2小時后CO₂吸附后光催化劑的FT-IR光譜

b）b在黑暗環境中CO₂和H₂O吸附后，光催化劑的C 1s芯能級XPS光譜

c,d）光催化反應后光催化劑的C 1s和d）O 1芯能級XPS光譜

圖5 CO₂和H₂O的吸附能

計算出具有O_Vs的La₂O₃（002）和LaTiO₂N（002）的能量分別為-12174.0和-6792.6eV

圖6 通過H₂O將CO₂氧化和還原成CH₄的可能機制

顯然，通過H₂O對La₂O₃改性的LaTiO₂N的還原反應主要是由于La₂O₃的晶格中的O^2-和LaTiO₂N上的O_Vs能夠將CO₂和H₂O活化成CO₃^2-和H⁺

^?【總結】

為提高光催化二氧化碳轉化率，該研究提出了使用固體堿和氧空位調控光催化材料催化功能的方法，旨在同時加速兩個重要的半反應過程。在不同空間位置同時活化CO₂和H₂O以實現速率匹配的半反應速率可以抑制太陽能轉換的逆向反應。

文獻鏈接：La₂O₃-Modified LaTiO₂N Photocatalyst with Spatially Separated Active ,Sites Achieving Enhanced CO2?Reduction（Adv. Funct. Mater.,2017,DOI: 10.1002/adfm.201702447）

本文由材料人新能源組Allen【李倫】供稿，材料牛整理編輯。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

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