谢毅Joule：红外光驱动二氧化碳在室温下整体分解

【引言】

太阳能二氧化碳整体分解成碳氢化合物和氧气，其中水作为质子源并介导电子转移，代表了太阳能转换的终极“圣杯”技术。然而，由于红外光利用和二氧化碳光还原之间不可逾越的矛盾，迄今为止，近50％太阳能的红外（IR）光从未被利用过。例如，从理论上讲，CO分解为CO和O₂需要1.35 eV，这意味着920 nm以上的红外光不能同时触发两个半反应。

【成果简介】

近日，中国科学技术大学谢毅、孙永福（共同通讯）等人为了突破上述局限性，设计了超薄中频带半导体，因此首先实现了IR驱动的CO₂在单一材料上的整体分解。以合成的超薄立方WO₃层为例，理论计算结果表明，产生的氧空位达到临界密度后，产生中间带，可由同步辐射价带谱，光致发光光谱，紫外-可见-近红外光谱， 和同步辐射红外反射光谱证实。结果，缺氧的WO₃原子层显示IR驱动的CO₂全部分解成CO和O₂，而其催化活性即使在3天后也没有失活。此外，更高的氧空位浓度有利于CO₂吸附和活化成COOH *自由基，因此保证了CO和O₂形成速率的增加。相关成果以题为“Infrared Light-Driven CO2 Overall Splitting at Room Temperature”发表在了Joule上。

【图文导读】

图1 富V_o的WO₃原子层的表征

（A-D）TEM图像（A）和高分辨率TEM图像（B;红色网格线表示晶格无序）; （C）对应于（D）中AFM图像的高度轮廓

（E和F）对于富V_o的WO₃原子层，贫V_o的WO₃原子层和WO₃原子层的ESR谱（E）和O 1s XPS谱（F）

图2 光激发行为与实验谱带结构

（A-E）光吸收谱（A）和相应的光学带隙（B;在2,500nm处的虚线指示数据连接的位置）; （C）SRPES价带谱和-1.0至2.0eV之间的相应放大谱; （D）在785nm激发下的光致发光光谱; （E）通过SRPES光谱测量的二次电子截止（Ecutoff）

（F）电子谱带的结构图示

图3 CO₂光还原性能

（A）在氮化硅灯照射下以及在黑暗中60℃下的CO和O₂形成速率

（B）¹³CO₂光还原后产物的SVUV-PIMS谱图

（C）表观量子效率（％）

（D）CO演变的循环曲线

（E）CO₂ TPD光谱

（F）在富V_o的WO₃原子层上IR光驱动的CO₂还原过程的原位FTIR光谱

【小结】

这项工作为设计IR驱动的光催化反应如水分解和N₂还原开辟了新的途径，从而大大提高了太阳能利用效率。

文献链接：Infrared Light-Driven CO2 Overall Splitting at Room Temperature （Joule,2018,DOI:10.1016/j.joule.2018.02.019）

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