文献速递 | 毛羽&罗潇&梁志武 Catalysis Science & Technology CO₂利用领域的最新研究成果

第一作者：李子怡

通讯作者：毛羽、罗潇、梁志武

#本文亮点

通过简单的煅烧方法成功地合成了全固态Z型异质结TiO₂-TiC/g-C₃N₄，并将其用于CH₄存在下的光催化CO₂还原。在低压和室温条件下，Z型异质结TiO₂-TiC/g-C₃N₄的光催化性能优于g-C₃N₄、TiO₂-TiC和TiO₂/g-C₃N₄。原位XPS结果和DFT计算结果均验证了Z型异质结的形成。理论计算表明，TiC是TiO₂导带(CB)中的电子与g-C₃N₄价带(VB)中的空穴复合的媒介。因此，保持了较高的氧化还原电位，实现了较高的光催化反应效率。此外，DFT计算建立了稳定的TiO₂-TiC/g-C₃N₄模型。通过正交试验研究了最佳工艺条件，在绝压40 kPa下，CO和H₂的TOF分别为11.3 μmol·g^-1·h^-1和2.15 μmol·g^-1·h^-1。

前言

2022年2月，Catalysis Science & Technology杂志在线发表了湖南大学梁志武教授团队在二氧化碳利用领域的最新研究成果。该工作报道了一种全固态Z异质结用于光催化二氧化碳和甲烷重整。论文第一作者为：李子怡，论文共同通讯作者为：毛羽老师，罗潇老师，梁志武老师。

背景介绍

甲烷干重整(DRM)的研究起源于19世纪末，因消耗两种温室气体（二氧化碳、甲烷）并产生合成气(CO和H₂)而受到研究人员的青睐。然而，由于CO₂和CH₄的高稳定性，传统的热催化需要非常大的能量才能进行，而光催化是一种相对温和的方式。

本文所用仪器

图表解析

通过XRD得知TiC大部分被氧化成了TiO₂，高倍TEM下观察到TiC及TiO₂负载在g-C₃N₄表面，形成了异质结。

比较原位及非原位下XPS峰的偏移，证明了TiC在异质结TiO₂-TiC/g-C₃N₄中充当电子介体。

随后，通过DFT计算表征了TiO₂-TiC/g-C₃N₄的异质结构、化学相互作用和电荷转移。态密度分析证实了TiC是一种优良的导体。电子定位函数(ELF)表明当TiC位于TiO₂和g-C₃N₄之间时，TiO₂-TiC/g-C₃N₄存在一定程度的共价键。此外，通过Bader电荷差分析分析电子转移，从而证明了TiO₂-TiC/g-C₃N₄为Z型异质结。通过UV-vis漫反射吸收、自旋密度和过剩电子迁移能的计算，进一步验证了TiC在体系中的重要性。最后，通过实验及理论计算，得出可能的反应机理。

全文小结

本研究为Z型异质结TiO₂-TiC/g-C₃N₄高效光催化DRM的设计提供了依据，并为低温低压光催化反应提供了一条节能途径。TiC作为光催化中的电子介质，为研究活性光催化剂提供了新的思路。

文章链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/cy/d2cy00085g

课题组链接：

湖南大学二氧化碳捕获与封存国际合作中心 (hnu.edu.cn)

http://iccs.hnu.edu.cn/

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本文素材来源：湖南大学化学化工学院iCCS课题组