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Chem. Eur. J. :基于半导体催化剂的光催化CO2还原全反应2023-08-11
化石能源的大量使用带来了严重的能源短缺和碳循环失衡问题。光催化CO2还原反应可将大气中的CO2转化为高附加值的供能燃料和化工产品,可综合解决能源与环境问题,是目前的研究热点之一。在研究该反应时,早期常加入空穴牺牲剂以屏蔽氧化半反应,使研究更能集中于CO2还原半反应;然而,这一过程会造成牺牲剂的消耗,并非理想的绿色反应。近年来,不加入牺牲剂,而仅利用CO2、H2O与光能的CO2还原全反应正受到越来越多的重视,得到了长足发展。目前,该反应尚存在反应效率低、产物分布难以控制、高附加值产品选择性低等问题。

针对于此,南京理工大学阚二军教授、李盎教授课题组综述了基于半导体材料实现高效的光催化CO2还原全反应的策略。该综述首先介绍了光催化CO2还原全反应的重要评价指标,而后重点讨论了研究者在实现高效的光催化CO2还原全反应方面开发的策略和实例,具体如下:(1)自驱动材料的开发。该类材料可直接用于全反应而无需其他辅助,可通过两种途径获取:ⅰ,创造新型的无机或有机框架类半导体;ⅱ,对现有半导体通过晶面工程等进行调控,使其可用于全反应。(2)Z型异质结的构建。将两种带隙合适的半导体结合起来,选择性地复合掉电位不合适的电子和空穴,保留电位合适的导带上的电子和价带上的空穴,使得材料有效的导价带电位有足够的驱动力实施全反应。(3)助剂的负载。助剂可发挥如下作用:ⅰ,降低反应物分子的活化能或降低反应的过电位;ⅱ,促进载流子分离;ⅲ,提供反应位点;ⅳ,抑制副反应或逆反应;ⅴ,提高催化剂稳定性;ⅵ,增强光吸收。(4)杂原子的掺杂。将异种元素的原子插入催化剂,可有如下作用:ⅰ,调节半导体带隙;ⅱ,促进载流子分离;ⅲ,加强催化剂表面对CO2的吸附。(5)表面空位的创造。表面空位可有如下作用:ⅰ,促进反应物分子的吸附和活化;ⅱ,加速载流子分离;ⅲ,创造新能级而拓宽光吸收范围。(6)载流子和材料的适配。由于半导体本身的能带结构和表面特性的差异,一些材料适于CO2还原反应,一些适于H2O氧化反应。因此引导载流子流向合适的材料可利于全反应的进行。最后,文章对该体系的发展前景和挑战进行了展望。

这一综述全面反映出近些年光催化CO2还原全反应在策略、效率、活性、材料体系、产物分布等方面的发展,可为研究者系统考察这一反应、快速定位此反应的发展状况、提出进一步的创新性思维提供有力的参考。

 

 

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文信息

Overall Photocatalytic CO2 Reduction over Heterogeneous Semiconductor Photocatalysts

Hailing Huo, Fang Wu, Prof. Dr. Erjun Kan, Prof. Dr. Ang Li

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202300658

 

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