南京大学邹志刚院士等: 双暴露晶面纳米片高效光催化 CO₂⇒高值产物

学术   2024-12-18 13:00   北京  

研究背景

减少二氧化碳的排放已成为一个重要的全球目标,一种很有前景的方法是通过光催化将二氧化碳转化为有价值的化学产品。CO₂ 的光催化还原是一种复杂的多电子反应过程,对催化剂的表面性质高度敏感,包括其晶体结构、表面能和电子结构。
CO₂ 转化目前多限于 C₁ 产品,如 CO、甲烷和甲醇。高价值多碳 (C₂₊) 产物的生成具有挑战性,在潜在的转化产物中,乙醇因其作为燃料、溶剂和化学原料的广泛应用而脱颖而出。

研究内容

近日,南京大学邹志刚院士等研究团队成功合成了两种超薄的 BiNbOCl 纳米片,具有不同的暴露晶面 (001) 和 (201),用于光催化将。CO₂ 转化为太阳能燃料。与仅产生 CO 的块状 Bi₄NbO₈Cl 相比,BNOC-(001) 和 BNOC-(201) 的 CO 产率均高出约 11 倍。

令人兴奋的是,这两种纳米片结构还能产生乙醇。这表明 BNOC 特定的暴露面可以增强 C–C 偶联以形成 C₂ 产物,其中 (201) 面通常会加速这一过程,这是由于 (201) 上暴露的低配位 Nb 原子不仅充当着光生电子的捕获位点和 CO₂ 的催化位点,同时还通过降低 C–C 偶联的能垒和 *COCOH 中间体的吸附能来减少竞争性的 CO 产生反应。

  • 图 1. Bi₄NbO₈Cl 光催化反应示意图

该工作合成了两种不同暴露晶面 (001) 和 (201) 的 BNOC 纳米片,将二氧化碳光催化还原为 CO 和乙醇。相较于 BNOC-(001),BNOC-(201) 具有较低的 C–C 耦合能垒,以及 *COCOH 中间体的吸附能,有利于选择性生成乙醇。

本研究通过晶面调控优化表面反应活性、改善电荷分离和转移、选择性控制反应途径、提高光吸收效率,为设计将二氧化碳光转化为 C₂₊ 太阳能燃料的高效光催化剂提供了一种很有前途的策略。该成果以“Crystal-facet modulated pathway of CO₂ photoreduction on Bi₄NbO₈Cl nanosheets boosting production of value-added solar fuels”(《Bi₄NbO₈Cl 纳米片的晶面调控促进光催化还原 CO₂ 为高附加值太阳能燃料》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Communications 上。

论文信息

  • Crystal-facet modulated pathway of CO₂ photoreduction on Bi₄NbO₈Cl nanosheets boosting production of value-added solar fuels

    Peiting Hao, Haoqiang Chi, Zhengdao Li*, Xinxin Lu*, Yong Yang, Yongcai Zhang, Zhigang Zou (邹志刚,南京大学), and Yong Zhou*

    Chem. Commun., 2024, Accepted
    https://doi.org/10.1039/D4CC05581K

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