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光催化还原CO2

太阳能光催化还原CO2制备碳氢燃料

Artificial Photosynthesis: Photocatalytic Reduction of CO2 into Renewable Hydrocarbon Fuels


研究内容和目标 

    探索稳定地控制大气中CO2总量的方案和积极应对能源危机,是各国政府和科学家们的重大研究课题。在太阳光驱动下,利用光催化材料在温和的反应条件(常温和常压),实现催化转化二氧化碳为可再生碳氢燃料(CO2 + H2O→碳氢化合物 + O2),以碳氢燃料为能源载体,可以实现碳循环利用,因而是最理想的CO2转化与利用方案。我们主要致力于:开发新型高效的光催化材料构建高效光催化反应体系;探索光催化材料的结构-性能的内在规律;设计新型光催化转化CO2反应途径;揭示光催化CO2还原反应机理及反应产物选择性。


图1:光催化还原CO2为碳氢燃料示意图


研究进展:



图 1. 采用溶剂热法,使用混合溶剂,首次合成出数百微米长、厚度仅为~7nm(相当于5个晶胞厚度)、长/径比高达10,000的超薄超长Zn2GeO4单晶纳米带。将合成的Zn2GeO4纳米带作为光催化剂应用于CO2光还原,结果表明CO2被高效的还原成甲烷。(J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14385.)


图 2. 采用离子交换法室温下合成介孔ZnGa2O4, 利用其介孔的吸附特性和光催化性能,将CO2转化为甲烷 (Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6400)。


图3. 利用同步–水解法一步合成了石墨烯和二氧化钛的复合纳米片的新型光催化材料,在表面Ti3+和石墨烯的协调作用下,将CO2选择性的还原成甲烷和乙烷 (Adv. Funct. Mater. 2012, DOI: 10.1002/adfm.201202349)


图 4. 合成了{100}晶面暴露的ZnGa2O4纳米立方块单晶光催化材。较高的空穴迁移能力促进水氧化过程,高效地为CO2还原过程提供质子,促进CO2转化为碳氢燃料的效率 (Adv. Funct. Mater. 2012, DOI: 10.1002/adfm.201202042). 


代表性成果: 

1. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14385. (Highlighted by Nature China) 

2. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6400. 

3. Adv. Funct. Mater. 2012, DOI: 10.1002/adfm.201202042 (Highlighted by Wiley Materials Views) 

4. Adv. Funct. Mater. 2012, DOI: 10.1002/adfm.201202349 (Highlighted by Wiley Materials Views China) 

5. Adv. Funct. Mater. 2012, DOI: 10.1002/adfm.201202484. 6. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 1215.

研究方向