TiO2在光催化CO2還原中的應用知多少?

2020-12-06 測試狗科研服務

【提高光催CO2還原性能的方法】

在前期的介紹中，我們了解到光催化反應主要使用摻雜、金屬沉積、鹼性修飾、形成異質結以及碳基材料的負載五種方法提高TiO2材料的性能。

1、摻雜

TiO2的禁帶寬度較大（3.2eV），因此必須使用紫外光進行照射才能進行光催化反應。實際上，太陽光中只有大約5%為紫外光，這就造成了太陽能的極大浪費，所以如何提高其在可見光範圍內的吸收十分必要。摻雜是一種應用十分廣泛的拓展半導體材料吸收光譜範圍的方法。通過金屬元素的摻雜，可以在TiO2的導帶下產生一空的能態，新能級的引入可以提高材料對全光譜的利用效率。但是，過多雜質的引入會導致大量的缺陷密度，這對於反應的進行極為不利。此外，金屬摻雜所造成的光腐蝕也會影響材料的長期穩定性能。而I、N、S和C元素的摻雜較好地緩解了這一問題。

2、金屬沉積

眾所周知，TiO2在紫外光照射時進行的光催化反應中由於電子-空穴的快速複合使得CO2還原的反應效率很低。而通過金屬在材料表面的沉積可以有效阻止光生電子-空穴的複合，從而提高其催化性能。一般來說，金屬納米顆粒的費米能級低於TiO2的導帶，這就會在金屬和TiO2的界面間產生肖特基勢壘。在光照的條件下，光生電子會通過肖特基勢壘快速轉移至金屬表面，直到二者的費米能級相等為止。與此同時，光生空穴則留在TiO2內部。這就使光生電子和空穴得到了有效分離。此外，金屬的功函數在電子-空穴的分離效率提升方面也有巨大影響，功函數高的金屬接受電子的能力也隨之提高，這也進一步增強了電子-空穴對的分離。

圖1 金屬沉積的增強性能機理

3、鹼性修飾

除了加強光生電子-空穴的分離效率外，提高材料對於CO2的吸附能力也是增強光催化性能的重要思路。由於CO2為酸性氧化物，因此通過鹼性吸附劑增強CO2的化學吸附也就順理成章。將鹼性吸附劑沉積在TiO2表面或者對TiO2進行鹼性化處理應該能夠大幅提高CO2的吸附。此外，鹼性吸附劑上的活性基團也可以參與到CO2的光催化還原反應中來，在反應過程中產生的中間產物也有效地促進了還原反應的進行。鹼性化處理的材料不僅吸附CO2能力得到了提高，更能夠活化CO2分子，增強材料的反應性能。

4、形成異質結

在提高材料性能的研究中，形成異質結是其中最為常用的方法之一，對於半導體材料來說更是如此。這不僅會促進電子-空穴的有效分離，同時也分離了氧化和還原的反應位，促進了反應的發生。

圖2 形成異質結

5、負載碳基材料

金屬材料的摻雜和沉積可以有效提高CO2還原反應的效率，但是，金屬元素通常比較稀有，價格昂貴，而碳基材料來源廣泛，電導率高，表面積大而且表面特性可控，此外，碳基材料抗腐蝕，這對於材料的長期穩定性也起到了重要作用。因此，利用碳基材料（例如石墨烯、碳納米管等）替代金屬沉積在材料表面成為了今年來熱點的研究方向。

【總結】

當前的研究者們付出了巨大的努力提高材料的性能，並取得了相當可喜的成果，為未來該領域的研究指明了方向，提供了思路。但是，我們也應該看到，當前的研究還存在諸如具體的反應機理仍然不清楚、材料對於光能的利用效率偏低、材料的長期穩定性不足以及反應產物的可控合成性差等問題，這些目前存在的問題同時也是日後研究的主要方向，突破了這些CO2還原反應中的桎梏後，相信人類能在可持續發展的路上越走越遠，越走越寬。

本文內容主要基於Applied Surface Science 392 (2017) 658–686，文末會列出相關的文獻，感興趣的讀者可以自行下載查看。

【參考文獻】

1.JingxiangLow, Bei Cheng, Jiaguo Yu, Surface modification and enhanced photocatalytic CO2 reduction performance of TiO2: a review, Applied Surface Science 392 (2017) 658–686.

2.Slamet,H.W. Nasution, E. Purnama, S. Kosela, J. Gunlazuardi, Photocatalytic reduction of CO2 on copper-doped titania catalysts prepared byimproved-impregnation method, Catal. Commun. 6 (2005) 313–319.

3.Y.Liu, S. Zhou, J. Li, Y. Wang, G. Jiang, Z. Zhao, B. Liu, X. Gong, A.Duan, J. Liu, Photocatalytic reduction of CO2 with water vapor on surface La-modified TiO2nanoparticles with enhanced CH4 selectivity, Appl. Catal. B 168 (2015)125–131.

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