新疆理化所在CeO2,新疆理化所在光催化还原二氧

近年来,温室效应和能源问题日益严重,二氧化碳作为主要的温室气体使得全球气候变暖,进而引起了极地冰川融化、恶劣极端天气频发等一系列问题。为了减少二氧化碳的排放,实现能源的可持续发展,可以通过研发新材料及技术手段解决这一问题。光催化还原二氧化碳技术不仅可以降低大气中二氧化碳的总量,还可以将其转化为有用的碳氢燃料。然而,光催化反应中如何有效提高光生载流子分离以及深入认识光还原二氧化碳机理仍然是个挑战。

新疆理化所在CeO2,新疆理化所在光催化还原二氧化碳研究中取得进展。新疆理化所在CeO2,新疆理化所在光催化还原二氧化碳研究中取得进展。近年来,温室效应和能源问题日益严重,二氧化碳作为主要的温室气体使得全球气候变暖,进而引起了极地冰川融化、恶劣极端天气频发等一系列问题。为了减少二氧化碳的排放,实现能源的可持续发展,可以通过研发新材料及技术手段解决这一问题。光催化还原二氧化碳技术不仅可以降低大气中二氧化碳的总量,还可以将其转化为碳氢燃料。然而,光催化效率至今还未达到实际工业应用的要求。

在国家自然科学基金委,科技部以及中科院的支持下,化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室白春礼院士和万立骏研究员领导的课题组,在纳米功能材料研究领域取得一系列进展,他们以环境和能源需求为研究背景,继在燃料电池催化剂研究方面,利用简单、低能耗的方法开发出高效的金属纳米空心球催化剂之后(新疆理化所在CeO2,新疆理化所在光催化还原二氧化碳研究中取得进展。Angew. Chem. Int. Ed. 2004, Vol 43, No. 12新疆理化所在CeO2,新疆理化所在光催化还原二氧化碳研究中取得进展。新疆理化所在CeO2,新疆理化所在光催化还原二氧化碳研究中取得进展。, 1540-1543),又在半导体光催化剂研究领域取得新成果。

中国科学院新疆理化技术研究所环境科学与技术研究室科研人员将黑色TiO2与金属铜纳米粒子复合,构建了Cu@TiO2核壳结构催化剂;研究表明,金属铜可显著促进材料的光电分离效率和可见光吸收,进而提高了光催化还原CO2活性。同时还发现CO2的吸附是提高光催化活性的关键因素(Applied catalysis A: General, 510, 34-41)。在此研究的基础上,科研人员采用一步水热法,制备了碱性CeO2修饰TiO2的复合纳米催化材料,并通过原位红外光谱技术,研究了CO2吸附及其光还原的微观过程。研究发现,CeO2增强了CO2在催化剂表面的吸附与活化,并改变了表面吸附物种的形态。该研究首次实验上证明CO2−中间物种是经表面碳酸根和碳酸氢根转化而来。

中国科学院新疆理化技术研究所环境科学与技术研究室科研人员通过碱性CeO2修饰锐钛矿相TiO2光催化剂,以增强CO2在催化剂表面的吸附与活化,并通过原位红外光谱技术,研究CO2吸附及其光还原的微观过程。CeO2促进了CO2光还原,且发现反应中间物种CO2−经由表面碳酸根和碳酸氢根转化生成。相关研究发表在Journal of Catalysis(2016,337,293-302)。在此研究的基础上,科研人员采用两步法分别制备了CeO2与金红石相、板钛矿相及锐钛矿相TiO2复合的材料,研究不同CeO2/TiO2复合系统对光催化还原CO2反应的促进程度。研究发现,金红石相TiO2与CeO2发生了强相互作用,导致在其界面上形成了钛缺陷,进而显著促进了光生电荷载流子界面的有效分离。与板钛矿相及锐钛矿相两材料复合系统相比,金红石相TiO2/CeO2光催化还原CO2活性展示了最为明显的提高。

与有机污染物和有毒水污染物相关的环境问题一直是环境保护及环境恢复领域备受关注的课题。半导体光催化剂具有高效率和潜在的广泛应用性,成为能从环境中降解并除去有毒化学污染物的最有效途径之一。因此,采用简单且经济有效的方法制备高表面积的半导体光催化剂,提高其催化活性和工业应用性是当前的研究热点之一。

相关研究成果发表在Journal of Catalysis上。

相关研究成果发表在《催化科学与技术》(Catalysis Science & Technology)上,并以封面文章形式进行了报道。

该课题组一直致力于开发和制备具有新颖结构和优异性能的半导体纳米材料的研究工作。已经利用简单的一步溶液相界面组装技术制备出半导体复合纳米空心球材料(J. Phys. Chem. B 2004, Vol 108, No. 28, 9734-973),并且基于模板合成技术,成功地制备出TiO2半导体及其与金属或半导体复合(TiO2/Au、TiO2/CdS)的纳米管阵列材料(Adv. Func. Mater. 2005, Vol 15, No. 2, 196-202)。这些材料具有优异的光学性质,有望在光电材料和光催化领域具有新的应用。

该研究工作受到国家自然科学基金、中科院“百人计划”、中科院创新团队国际合作伙伴计划、“西部之光”青年博士等项目资助。

该研究工作受到国家自然科学基金、中科院“百人计划”、中科院创新团队国际合作伙伴计划、“西部之光”青年博士等项目资助。

最近,该课题组又在新型半导体纳米材料光催化剂领域取得了重要的研究成果,发展了一种利用自组装技术制备具有高表面积的半导体ZnS光催化剂的方法。所制备的ZnS材料是一种直径约为60纳米的具有多孔的纳米颗粒结构,每个纳米颗粒由许多个直径仅为3至5纳米的粒子构筑单元自组装而成,具有纳米级孔道的结构。这种由几纳米的粒子构成的纳米孔颗粒在光催化领域具有许多优点。例如,1) 具有很高的比表面积,可以达到150 g/m2的量级;2)具有很高光催化活性,实验表明这种新颖结构的ZnS材料对模型系统—染料曙红(四溴萤光素,一种有机染料)的光降解—表现出比纳米晶材料和商用二氧化钛纳米颗粒更高的光催化活性 催化基元是尺寸量子化的纳米晶,具有高的氧化还原电势,提高了光催化反应的速度;4) 既有效地防止了尺寸量子化的纳米晶的进一步聚集,又比纳米晶更容易分离和回收;5) 具有良好的分散性,在反应过程中不需要搅拌,降低了能耗。6)制备方法简单、经济,可以大规模地合成。

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