Trans Tianjin Univ |可见光驱动CO2还原制备不同比例合成气的界面工程研究

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● 文章信息：

Conghui Qiu, Sha Bai, Wenjing Cao, Ling Tan, Junyan Liu, Yufei Zhao, Yu-Fei Song. Tunable Syngas Synthesis from Photocatalytic CO₂ Reduction Under Visible-Light Irradiation by Interfacial Engineering. Trans Tianjin Univ, 2020: https://doi.org/10.1007/s12209-020-00265-5

● 文章链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-020-00265-5

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本文亮点

采用廉价二维金属氢氧化物-水滑石和MoS₂异质结构，实现了在可见光驱动下，CO₂高效还原制备合成气（H₂、CO），合成气比例可以实现大范围内调控（1:1至9:1）。

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内容简介

比例可调的合成气（H₂和CO）（例如1:1至3:1）是费-托合成生产碳氢化合物或高附加值精细化学品的重要原料。如何可控合成不同比例的合成气具有重要作用。

本文通过静电自组装设计了一系列具有异质结构的水滑石基LDH/MoS₂层状纳米复合材料。通过对其界面进行调控，在可见光照射下（λ > 400 nm），通过CO₂还原反应，可将合成气比例（H₂:CO）从1:1精确调节到9:1的范围。甚至可在高波段（λ > 500 nm）光源照射下，异质结构的LDH / MoS₂仍表现出优越的CO₂光还原性能，CO产生率高达2970 μmol/(h·g)。

这项工作为人工光合作用太阳能转化提供了一种经济有效的策略，并为工业中目标合成气的供应创造了一条绿色途径。

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图文导读

方案1 CO₂光还原采用负载不同量MoS₂ (LDH/MoS₂-x, x=0.10, 0.20, 0.30)的CoAl-LDH/MoS₂纳米复合材料，合成不同比例合成气示意图（反应条件：以Ru(bpy)₃]Cl₂·6H₂O为光敏剂，λ>400 nm）

图1 合成的U-MoS₂、U-CoAl-LDH和LDH/MoS₂-x纳米复合材料的(a)XRD图谱和(b)拉曼光谱

图2 (a,b) 超薄CoAl-LDH和(c, d) 超薄MoS₂的透射电镜和高分辨透射电镜图。(e) LDH/MoS₂-x，(f) LDH/MoS₂-0.10，(g) LDH/MoS₂-0.20和(h, i) LDH/MoS₂-0.30的示意模型

图3 (a) U-CoAl-LDH、U-MoS₂和LDH/MoS₂-x的UV-vis光谱。(b) LDH/MoS₂-x与CO₂PR反应体系中CO和H₂的产率以及由此产生的合成气比例。(c) 同位素实验中¹²CO和¹³CO的GC-MS结果。(d) 不同反应条件（λ>400nm）下，LDH/MoS₂-0.10的对照实验结果。这里，没有催化剂意味着反应体系中只含有Ru络合物和TEOA，不含LDH/MoS₂-0.10。在CO₂PR和(e) LDH+MoS₂混合物、LDH/MoS₂-0.30（λ>400 nm）或(f) 回收的LDH/MoS₂-0.20反应体系中，CO和H₂的产率及合成气的比例（反应条件：4×10⁻⁶ mol Ru(bpy)₃Cl₂•6H₂O，光催化剂浓度0.3 mg/mL，10 mL含CH₃CN、TEOA、H₂O（3:1:1）的溶剂，在λ>400 nm的光照下照射1 h）

图4  U-MoS₂、U-CoAl-LDH和LDH/MoS_2-x的(a) XPS测量、(b) C 1s、(c) Co 2p和(d) Mo 3d光谱。(e) 4×10⁻⁶mol Ru（bpy）₃Cl₂•6H₂O溶液中合成的光催化剂的稳态PL光谱。(f) CoAl-LDH和LDH/MoS_2-x的EIS光谱

图5 (a) MSO (001)和(b) LDH (001)面的计算静电势。(c) LDH/MSO的电荷密度差切片。蓝色和红色区域分别表示电子损耗和积累的区域。(d) 计算得到的LDHs/MSO的总态密度和部分态密度

通讯作者

赵宇飞

2007年于山西大学获得应用化学和计算机科学与技术双学士学位，2013年获得北京化工大学应用化学博士学位，导师是段雪院士。2011-2012年在牛津大学Dermot O'Hare教授的实验室做访问学者，随后加入了中国科学院物理化学技术研究所（TIPC），并在张铁锐教授的实验室工作。2018年，任北京化工大学化学资源工程国家重点实验室教授。他的研究重点是层状双氢氧化物-水滑石纳米结构光（电）催化剂。

通讯作者

宋宇飞

2002年于山西大学获得博士学位。2002-2004年在荷兰莱顿大学、2004-2005年在德国马Max-Planck生物无机化学研究所和2005-2008年在英国Glasgow大学博士后研究后，于2008年9月加入北京化工大学任教授，现任北京化工大学化学资源工程国家重点实验室教授。他的研究方向主要集中于基于多金属氧酸盐的新型分子组装体和多功能材料。

Transactions of Tianjin University

天津大学学报（英文版)

主编：巩金龙

副主编：张强/Rafael Luque/张铁锐

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