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「综述」TiO2在光催化CO2还原中的应用知多少？（上）

来源：本站时间：2019-12-19 14:30:11 浏览：5101次

【引言】

近年来，由于化石燃料的大量消耗，大气中CO₂含量的增加已经引发了严重的环境污染。在过去的35年间，由化石燃料燃烧所造成的年度CO₂排放量呈逐年增长的趋势（图1）。CO₂对于大气中热量的捕获使得全球的气温随之升高。因此，寻找一种可再生且环境友好的能源是摆在人类社会面前的紧迫任务。自从太阳能被认为是一种无排放的绿色能源以来，如何将太阳能转化为有价值的太阳燃料吸引了研究者们大量的关注。

图1 1980-2015年间CO₂排放量与全球气温变化的趋势图

在众多选择中，将CO₂光催化还原转化为诸如CH₄、HCO₂H、CH₂O和CH₃OH等绿色太阳燃料被认为是一种极具前景的技术。自1979年Inoue等人的报道以来，不同种类的半导体，如TiO₂、CdS、Fe₂O₃、g-C₃N₄、Bi₂WO₆、Cu₂O等都被应用在了CO₂光催化还原的研究中。基于其高效的还原性能、低成本以及高度的稳定性，TiO₂作为最具潜力的光催化CO₂还原材料近年来研究颇多。

【光催化CO₂还原的反应机理】

光催化CO₂还原可以模拟自然界中的光合成系统，能将入射太阳光能转换为太阳燃料，而无需其他高能输入设备。因此，这一过程是用来合成有机燃料被广泛研究的思路。一般来说，光催化CO₂共分为四个主要过程：CO₂的吸附、吸收入射光子能量产生电子-空穴对、电子-空穴对的分离及其在光催化材料表面的复合、CO₂的还原（图2）。

图2 光催化CO₂还原的反应机理

光催化反应开始于CO₂在材料表面的吸附，因此，提高TiO₂对于CO₂的吸附能力是其中的重要步骤。通过增大材料的比表面积和产生更多的表面反应活性位都可以达到这一目的。此外，将TiO₂表面碱性化也是一种行之有效的思路。当TiO₂吸收能量大于或等于禁带宽度的入射光时，电子-空穴对随之产生，所以缩小TiO₂的禁带宽度则是另一种提高材料性能的方法。利用掺杂或者负载金属颗粒可以产生更多的电子-空穴对促进反应的进行。在光催化反应的第三步中，通过引入金属或者碳基材料可以有效的分离电子和空穴，使其充分参与到氧化还原反应中来。然而，CO₂分子十分稳定，所以只有电子有足够的潜力参与到CO₂还原反应中来。因此，在TiO₂上的特定反应位点上积累足够多的电子达到多电子转移就极为重要。

【提高光催化CO₂还原性能的方法】

在目前的研究中，基于上述光催化反应的过程，人们主要使用掺杂、金属沉积、碱性修饰、形成异质结以及碳基材料的负载五种方法提高TiO₂材料的性能。

图3 提高光催化CO₂还原的方法机理

下期我们将带来提高TiO₂材料性能的五种具体方法哦~

未完待续...

本文内容主要基于AppliedSurface Science 392 (2017) 658–686，文末会列出相关的文献，感兴趣的读者可以自行下载查看。

【参考文献】

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