我院教师在人工光合成领域取得重要进展

发布者:静发布时间:2021-04-06浏览次数:335

近期,我校材料与环境工程学院裴浪博士钟家松副教授、元勇军教授与南京大学邹志刚院士/闫世成教授研究团队合作,在光催化CO2还原方面取得重要进展他们基于化学气相沉积法在TaON颗粒表面实现了原位生长岛状空心氮掺杂石墨烯。所构造的TaON@石墨烯光催化剂在CO2-H2O-固体系中表现出优异的光催化CO2全还原活性,其CO2CH4的产率超过大多数目前报道的Ta()氮化合物。相关成果以题为“In Situ-Grown Island-Shaped Hollow Graphene on TaON with Spatially Separated Active Sites Achieving Enhanced Visible-Light CO2 Reduction”发表在化学领域顶级期刊《ACS Catalysis》上。该论文第一作者是杭州电子科技大学裴浪博士和元勇军教授;通讯作者为杭州电子科技大学裴浪博士、钟家松副教授和南京大学闫世成教授。该工作得到了南京大学邹志刚院士精心指导该研究得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等多项资助特此致谢!

图1 论文TOC

二氧化碳(CO2)是温室气体的主要代表成分,光催化还原CO2依靠太阳能光辐照半导体产生具有氧化还原电势的电子-空穴对来诱发反应,避免了二次能量转化损失的问题,是实现CO2资源化最理想的手段。然而,光生电荷在半导体催化剂体相的快速复合以及CO2热力学较为稳定导致其催化转化反应能垒高等瓶颈,一直是光催化还原CO2 大规模应用的主要挑战。

针对目前大多数可见光响应的()氮化物 (TaONTa3N5 ) 光催化材料电荷分离偏低、CO2 还原活性不佳以及稳定性不足等问题,本工作TaON为研究对象,采用化学方法在其表面先包覆均匀致密的Ni前驱体,然后在 CVD管式炉中将 Ni 前驱体还原成单质 Ni,单质 Ni 以岛状颗粒原位分布在TaON表面,其作为模板及催化剂为CVD原位生长氮掺杂石墨烯提供辅助。最后,通过盐酸刻蚀Ni金属,成功获得TaON@中空岛状石墨烯分层级结构 (2)催化剂具有利于电荷分离和转移的异质结界面,利于CO2吸附和活化的中空纳米岛状石墨烯,以及利于诱导氧化还原半反应空间分离的分层次结构。

此外,理论计算发现 (3),高功函石墨烯作为强电子受体与n型半导体TaON耦合能快速抽取TaON中的电子,使得石墨烯表面的局部电子密度增加,费米能级提升。通常电子向CO2反键轨道高效注入被认为是CO2活化的关键步骤,催化剂表面呈现电子富集态是CO2分子活化的重要过程。在 TaON@G催化CO2 还原过程中,大量的光生电子被富集在岛状石墨烯表面大大增强了石墨烯与CO2之间的相互作用,从而弱化了CO2中的C=O键,使其活化能垒降低,从而加速了CO2 还原反应动力学。

   这项工作为合理设计新型半导体/助催化剂光催化体系提供了借鉴,同时为研究石墨烯催化机理和调节催化剂的电子性质来实现高效CO2还原提供了新的理论和实验支撑。

2 分级结构的TaON@石墨烯制备过程

3 (a) 差分电荷密度图;(b) 态密度分析;(c) CO2吸附能计算;(d, e) TaON@G催化体系CO2还原工作原理示意图

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c03918