文献速递 | 李华明 Journal of colloid and interface science 光催化CO₂还原

第一作者：王雨

通讯作者：夏杰祥、李华明

DOI:10.1016/j.jcis.2022.02.109

#本文亮点

通过光沉积法成功构筑了Au修饰的Au@Bi₁₂O₁₇Br₂复合材料。Au@Bi₁₂O₁₇Br₂复合材料的构筑可以显著促进电子的还原和烃类产物的生成，实现了高附加值烃类产物C₂H₆的生成。Au@Bi₁₂O₁₇Br₂-700复合材料获得了优异的C₂H₆产率（29.26 μmol ·h^-1 ·g^-1）和C₂H₆产物选择性（90.81%）。

前言

2022年2月，Journal of colloid and interface science杂志在线发表了江苏大学李华明教授团队在光催化CO₂还原领域的最新研究成果。该工作报道了Au纳米颗粒修饰的Bi₁₂O₁₇Br₂纳米管光催化CO₂还原为乙烷。论文第一作者为：王雨，论文共同通讯作者为：夏杰祥、李华明。

背景介绍

据报道，CO和CH₄是光催化CO₂还原的主要产物。迄今为止，很少有关于生产高附加值碳氢化合物（如C₂H₄和C₂H₆）的报道。C₂₊产物比C₁产物具有更高的能量密度和应用价值，但合成过程较为复杂。此外，调节C₂₊产物的活性和选择性是CO₂光还原过程中的主要瓶颈。因此，构建具有高电子利用率和高效电子转移的光催化CO₂还原系统对于实现C₂₊产物的高活性和产物选择性非常重要。

本文所用仪器

图表解析

Bi₁₂O₁₇Br₂单体呈现出管状结构，0.303 nm的晶格间距可以对应于Bi₁₂O₁₇Br₂的（117）晶面。Au纳米颗粒沉积后，可以清晰地看到在纳米管周围分散着微小的纳米Au颗粒。Au颗粒的大小约为5-10纳米（图1a）。高倍透射电镜图（图1b）显示Au晶格间距为0.235 nm，与先前文献报道一致。图1c-f为Au@Bi₁₂O₁₇Br₂-700的Mapping图，从图中可以看出元素Bi、O、Br和Au均匀分布在Au@Bi₁₂O₁₇Br₂-700中。这些结果进一步证实了Au纳米颗粒和Bi₁₂O₁₇Br₂纳米管之间的紧密接触。

相比于Bi₁₂O₁₇Br₂单体，Au@Bi₁₂O₁₇Br₂复合材料除了可以产生CO和CH₄外，还可以产生C₂H₆，且Au@Bi₁₂O₁₇Br₂-700在5 h后的产率可达29.26 μmol ·h^-1 ·g^-1，烃类和C₂H₆的选择性分别高达94.86%和90.81%（图2a、b）。此外，从连续20 h的活性图可以看出，C₂H₆产量随着时间的增长而稳定增加，表明Au@Bi₁₂O₁₇Br₂-700具有优异的活性稳定性（图2c）。对照实验的结果表明，在没有光催化剂或光的情况下，不会产生CO、CH₄和C₂H₆，这反映了光催化剂的独特性质。使用Ar作为反应气体导致仅产生少量的CO、CH₄和C₂H₆，这是由于吸附在光催化剂表面上的残余CO₂（图2d）。因此，在Au@Bi₁₂O₁₇Br₂-700光催化CO₂还原过程中，CO₂是CO、CH₄和C₂H₆的唯一来源。

采用原位傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进一步研究了Bi₁₂O₁₇Br₂和Au@Bi₁₂O₁₇Br₂-700光催化还原CO₂的过程（图3a-d）。结果表明，C₂H₆可能是通过两个*CH₃中间体的偶联产生。具体的演化过程如图3e所示。

全文小结

通过在Bi₁₂O₁₇Br₂纳米管上沉积Au纳米粒子制备了Au@Bi₁₂O₁₇Br₂光催化剂。Au纳米粒子的LSPR效应有利于热电子参与CO₂还原反应，从而提高电子利用率，促进光生载流子的有效分离。复合材料的构筑获得了优异的CO₂光还原性能，相较于单体而言，实现了高附加值烃类C₂H₆的生成。该研究为设计和合成具有可控C₂₊产物选择性的高性能光催化剂提供了重要的思路。

作者简介

李华明，江苏大学教授。主要研究方向为：化石能源的清洁利用、能源化工、环境化学。

承担国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等课题4项。主持完成国家自然科学基金、省厅级自然科学基金项目15项。以通讯作者在重要期刊发表SCI收录论文200余篇，影响因子大于10.0的论文50余篇, 38篇论文入选ESI TOP 1%高被引论文，6篇论文入选ESI TOP 0.1%热点论文, 论文共被SCI源期刊引用14800余次，34篇论文单篇引用超过100次，H指数为66。2018年入选科睿唯安全球高被引科学家跨学科领域名单。2014至2018年，连续五年入选爱思唯尔中国高被引学者化学工程领域榜单。主参编著作5部，授权国家发明专利40余项。

文献信息：

Yu Wang, Junze Zhao, Yunmiao Liu, et. al. Synergy between plasmonic and sites on gold nanoparticle-modified bismuth-rich bismuth oxybromide nanotubes for the efficient photocatalytic C-C coupling synthesis of ethane. Journal of colloid and interface science, 2022, 616, 649-658.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002197972200340X

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本文素材来源：江苏大学李华明教授团队