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化学与化工学院王靖宇课题组在光催化二氧化碳还原领域取得新进展

     时间:2022年04月20日 11:03  作者:  点击量:0      

通过直接利用可持续的太阳能将CO2光催化还原为有用的燃料,是解决碳排放和全球变暖挑战的一种极具前景的策略。目前大多数光催化反应需要无氧环境甚至纯CO2气氛作为原料,直接将烟气或空气中的CO2光催化还原制取燃料,显然更有利于控制碳排放与缓解温室效应,但其中高浓度的O2从热力学上更容易被还原,几乎完全阻碍了CO2还原的发生。近日,王靖宇课题组在《Nature Communications》在线刊发了光催化二氧化碳还原领域的新进展(Selective photocatalytic CO2 reduction in aerobic environment by microporous Pd-porphyrin-based polymers coated hollow TiO2),本文通过在空心TiO2表面上超交联卟啉基聚合物(HPP),并配位PdII)制备表面多孔的复合光催化剂,实现了有氧环境中CO2还原和H2O氧化的全反应,主要得益于表面多孔结构对CO2/O2的高选择性吸附,以及Pd(II)位点和中空TiO2上的高效电荷分离。论文第一作者为化学与化工学院博士研究生马亚娟,通讯作者为王靖宇教授,合作者包括昆士兰科技大学朱怀勇教授、Eric R. Waclawik教授,中科院化学所陈春城研究员,18luck新利电竞 李涛教授、谭必恩教授、Tetsuro Majima教授,东北师范大学王绍磊教授

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多孔Pd-HPP-TiO2 复合光催化剂的合成过程如图 1 所示。以5,10,15,20-四苯基卟啉(TPP)为原料,在直径为100-150 nmSiO2@TiO2上原位编织聚合物。然后用NaOH溶液将SiO2核刻蚀,以制备厚度约为10 nm的空心TiO2HPP层厚度约为5-7 nmHPP-TiO2),最后PdII)与卟啉单元进行配位,从而形成多孔Pd-HPP-TiO2

 

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1 多孔Pd-HPP-TiO2的合成及光催化CO2还原的可能机制

在紫外-可见光照射下,不添加光敏剂或有机牺牲剂的气-固反应中进行光催化CO2还原的活性评价(2)。构筑的多孔Pd-HPP-TiO2 复合光催化剂具有优异的CH4CO产率,分别达到48.034.0 μmol g-1 h-14 h内的平均值),远高于单一TiO2CH4CO的产率分别为4.21.6 μmol g-1 h-1)。对光催化反应过程中的O2释放进行了现场监测,以进一步验证CO2H2O还原(图2b)。光电流强度为紫外-可见光照射下材料中的电子转移效率提供进一步信息。Pd-HPP-TiO2的最高光电流可归因于光生电子从TiO2转移到Pd-HPP,并被Pd捕获。图2a中气体产率与图2c中光电流顺序一致,说明向Pd-HPP的高效电子转移是影响纯CO2条件下光催化活性的主要因素。更重要的是,Pd-HPP-TiO2对空气中低浓度的CO2~400 ppm)也表现出一定的催化活性,CH4CO的产率分别为12.2 μmol g-1 h-14.9 μmol g-1 h-1;相比之下Pd/TiO2CO2的还原几乎完全被抑制(图2d)。图2e比较两种催化剂在空气和CO2/N2混合物中的CO2转化率。值得注意的是,在0.15 vol% CO2/N2中的还原效率接近纯CO2Pd/TiO2在纯CO2中比Pd-HPP-TiO2更有效,而在空气中观察到相反的结果;在空气条件下,紫外-可见光照射2 h后,Pd-HPP-TiO2Pd/TiO2CO2转化率分别为12 %2.7 %0.15 vol% CO2/N2和空气中CO2 转化率之间的差异归因于O2的存在。因此,我们进一步研究了O2浓度对光催化CO2还原反应的影响,如图 2f 所示。对于 Pd/TiO20.2 vol% O2的存在抑制了CH4的产率,而5 vol% O2的存在使其转化率急剧下降至纯CO26 %。有意思的是,O2Pd-HPP-TiO2CH4产率的影响较小:5 vol% O2的存在仅将其降低到纯CO246 %

 

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2 光催化CO2还原的活性评价

为了研究O2对光催化CO2还原反应的影响,我们对比了材料的表面孔结构与气体吸附性质。由于 HPP 的高微孔率(0.7 1.3 nm),Pd-HPP-TiO2的比表面积和微孔体积达到 323 m2 g-1 0.22 cm3 g-1(图 3a),TiO2 的引入导致 HPP 的超微孔减少,而尺寸为 1.3 nm 的微孔大部分被保留(图 3b)。Pd-HPP-TiO2的微孔性质导致CO2 Pd-HPP中的Pd 位点周围富集,使Pd-HPP-TiO2CO2 吸附能力在 1.0 bar 273 K 时达到 54.0 cm3 g-1,是TiO24.9倍(图 3c);除此之外,Pd-HPP-TiO2CO2/O2 选择性高达23.9(图 3d)。

 

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3 表面孔隙率和气体吸附性能

Pd-HPP-TiO2仅显示为纯锐钛矿TiO2X射线衍射峰(XRD)(4a),没有出现Pd颗粒的衍射峰,表明Pd (II)Pd-HPP中与卟啉单元配位。透射电镜(TEM)和高分辨率透射电镜(HRTEM)图像显示,中空的TiO2具有锐钛矿TiO2(101)的特征面,并被Pd-HPP包裹(4b-d)HRTEM图像中没有发现Pd纳米颗粒,这与XRD分析结果一致。通过扫描透射电子显微镜(STEM)和能量色散X射线(EDX)映射测试进行元素分布,图4e-i显示空心TiO2嵌入在Pd-HPP, 并且CNPd元素均匀分布。

 

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4 多孔Pd-HPP-TiO2的晶体与形貌表征

Pd-HPP-TiO2CP-MAS核磁共振谱表明其在分子水平上TPP的超交联过程(图5a)。图5b中的高分辨Pd 3d光谱在343.3338.1 eV处出现明显双峰,归属于配位PdII)的3d5/23d3/2。相比之下,Pd/TiO2XPS谱图中除了少量未还原的Pd2+之外,主要以金属态Pd存在。除此之外,采用同步辐射的X射线吸收光谱对Pd的价态进一步验证(图5c-e),Pd-HPP-TiO2的吸收边能接近PdO,但高于Pd箔,证实了Pd-HPP-TiO2PdII)的存在,配位数约4.0表明PdII)与卟啉的四个N原子配位。为了阐明反应途径,通过原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)对Pd-HPP-TiO2表面上的CO2吸附和光催化还原的反应中间体进行监测(图 5f)。在紫外-可见光照射下,16901640 cm-1处的信号逐渐减弱,1740 cm-1处变为负峰,表明光催化反应过程中表面碳酸盐被有效消耗,同时,1589 cm-1处出现的一个新峰归属于*COOH CO伸缩振动,被认为是*CO的重要中间体,随后生成CO并进一步加氢产生CH4

 

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5 Pd-HPP-TiO2的化学结构及表面物种分析

总结与展望

多孔Pd-HPP-TiO2 复合光催化剂具有较高的CO2吸附能力和高效的电荷分离特性,因此具有优异的光催化还原CO2活性。特别是在有氧环境(如5 vol% O2),Pd-HPP-TiO2光催化CO2还原受O2还原干扰较小,CH4产率是纯CO2条件下的46 %,相比之下,没有HPP Pd/TiO2O2还原的抑制效应显著,其转化率急剧下降至纯CO2气氛的6 %。因此,Pd-HPP-TiO2在空气中表现出良好的光催化活性,紫外-可见光照射2 h后,CO2转化率达12 %CH4产率为24.3 μmol g-1,是Pd/TiO24.5倍。原因在于,Pd-HPP-TiO2的表面多孔结构对CO2/O2的高选择性吸附,CO2HPP层的Pd(II)处有效富集,同时Pd(II)位点和中空TiO2上的电荷高效分离,吸附在TiO2上的水被TiO2价带的空穴氧化。此工作为实现有氧环境下CO2的光催化还原,对空气或烟气等直接来源的CO2浓度削减以及生产有价值的太阳燃料提供了新的思路。


原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-29102-0.