Energy & Environmental Science: 天然催化剂可见光催化还原CO2

【引言】

利用半导体参与的光催化策略将温室气体CO₂转化为高附加值燃料的同时降低其含量，是解决能源短缺和温室效应问题的理想方法之一。分级中空结构在光催化还原CO₂中得到广泛应用，由于其能赋予光催化剂更高密度的表面暴露活性位点以加速CO₂吸附，降低从体相到表面的扩散长度以促进光生电荷载流子的分离以及通过内部多光散射和反射提高可见光捕获性能。具有多种尺度和分级形态的生物材料引起了研究人员的极大兴趣。在各种生物材料中，具有均匀碳骨架的花粉由于其大孔隙体积、高表面积和独特的3D网络结构而被应用于各种领域。与传统的化学合成相比，花粉衍生材料的制备过程也更加经济环保。

【成果简介】

近日，香港中文大学王保强教授、武汉理工大学余家国教授、广东工业大学安太成教授(共同通讯作者)等制备了一种非金属生物材料——分级改性油菜花粉(TRP)作为可见光催化还原CO₂的催化剂，并在Energy & Environmental Science上发表了题为“Nature-Based Catalyst for Visible-Light-Driven Photocatalytic CO₂ Reduction”的研究论文。论文的第一作者为姜志锋博士。所述TRP催化剂在不使用助催化剂或牺牲试剂的情况下，一氧化碳(CO)的生成速率可达到488.4 μmol·h^-1·g^-1，选择性可达到98.3%，420nm处量子效率超过6.7%。且TRP催化剂的CO生成速率远高于常见的光催化剂，如g-C₃N₄(16.6μmol·h^-1·g^-1，高29.4倍)和P25 TiO₂ (19.1μmol·h^-1·g^-1，高25.6倍)，是已报道的碳基光催化剂中最高的。原位傅里叶变换红外光谱分析揭示甲酸是主要的中间体。上述天然的可持续光催化剂可以为设计具有突出的可见光驱动还原CO₂性能的非金属催化剂提供新的视角。

【图文简介】

图1 TRP颗粒的形貌表征

a-c) TRP颗粒的FESEM图像；

d,e) TRP颗粒的HAADF-STEM图像；

f) TRP颗粒的HRTEM图像；

g) 单个TRP颗粒的FESEM图像以及相应的元素分布图像。

图2 TRP颗粒的光催化还原CO₂性能

a) 不同催化剂产生CO和CH₄的比较；

b,c) 以¹³CO₂同位素为碳源产生CO/CH₄的GC-MS分析。

图3 不同反应条件下的CO产生实验

a) 不同温度下的CO产生实验；

b) 不同催化剂含量下的CO产生实验；

c) 不同光密度下的CO产生实验；

d) 单色光照射下随波长变化的TRP催化剂QE。

图4 TRP颗粒的原位红外测试

TRP催化剂共吸附CO₂和H₂O混合气暗反应/可见光(LED lamp, λ= 420 nm)照射20, 40, 60 min下的原位FTIR光谱。

图5 TRP的CO₂吸附性能及缺陷态测试

a) TRP和g-C₃N₄的吸附CO₂性能测试；

b) TRP和g-C₃N₄的缺陷态测试。

图6 TRP的载流子分离迁移效率测试

a) 开路电压曲线(可见光关闭后归一化)；

b) 光致发光光谱；

c) 伏安图；

d) 表面光电压谱。

【小结】

研究人员利用低成本和简便的策略制备了TRP生物材料，并将其作为用于日光驱动的光催化还原CO₂的非金属催化剂。TRP催化剂独特的分级、中空和多孔特征有利于光吸收、CO₂分子吸附和电荷分离，与大多数报道的非金属可见光驱动的光催化剂相比，具有增强的光催化还原CO₂性能。可以设想，该文介绍的简便有效的方法也可以扩展于创造其他用于光催化CO₂还原的仿生非金属材料以生产可持续燃料。

文献链接： Nature-Based Catalyst for Visible-Light-Driven Photocatalytic CO₂ Reduction (Energy & Environmental Science, 2018, DOI: 10.1039/C8EE01781F)

【通讯作者简介】

王保强教授，香港中文大学生命科学院教授，博士生导师。1979年毕业于香港中文大学生物系并获生物学硕士学位，1983年获美国加州大学微生物学博士学位。现任香港中文大学环境科学Program副主任，同时担任广东工业大学、华南理工大学、华中师范大学、南开大学客座教授，J. Environ. Sci.杂志副主编、Environ. Geochem. Health 杂志Coordinating Editor, Ecotox. Environ. Safe. 杂志编委。目前从事环境微生物技术与应用及其光催化杀菌,产氢、二氧化碳还原以及微生物协同产氢机理等方面的研究，并在Adv. Mater.,Environ. Sci. Technol., Water Research等期刊上发表论文200余篇。

余家国教授，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室学科首席教授、博导、湖北省“楚天学者”计划特聘教授、新世纪百千万人才工程国家级人选、国家杰出青年基金获得者。团队主要从事半导体光催化材料、光催化分解水产氢、光催化CO₂还原、室内空气净化等方面的研究工作。团队已在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等国内外期刊上发表SCI收录论文400余篇，研究成果获得2014年国家自然科学二等奖。

安太成教授，广东工业大学学术委员会主任、广东工业大学环境健康与污染控制研究院院长，国家杰出青年科学基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授。长期从事新兴有机污染物的环境地球化学健康、环境化学过程机制、光化学转化与光催化降解机理等方面的研究工作。重点开展有关环境大气和水体中毒害有机物环境净化消除与污染控制风险消减方面的应用基础与研发工作。在国内外相关领域的高水平期刊上接受和发表SCI论文220余篇，SCI他引近3000余次。入选Elsevier发布的2014年和2015年中国高被引学者榜单(环境科学)。

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