Trans Tianjin Univ | 氧空位调控钛酸钡光催化CO2还原反应的选择性

PART01

文章信息

Yi Wang, Chengbo Zhang, Rengui Li. Modulating the selectivity of photocatalytic CO2 reduction by oxygen vacancy on barium titanate photocatalyst, Trans. Tianjin Univ. (2022), https://doi.org/10.1007/s12209-022-00334-x 

 Received: 21 June 2022 / Revised: 19 July 2022 / Accepted: 21 July 2022 /

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https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-022-00334-x

PART02

本文亮点

1. 通过NaBH₄ 还原在BaTiO₃光催化剂中引入氧空位并应用于光催化CO₂还原反应。

2. 无氧空位的BaTiO₃显示出低光催化活性，主要产物是CO；具有适宜浓度氧空位的 BaTiO₃对CO₂的还原活性约为前者的10倍，选择性高达90%。

3. 实验表明适宜浓度氧空位的存在有利于BaTiO₃表面对CO₂和H₂O的吸附，同时也改善了光生载流子的分离和转移，促进了光催化CO₂还原为甲烷。

4. 氧空位在调节光催化CO₂还原的选择性方面有重要作用。

PART03

背景及意义

利用太阳能实现CO₂光催化转化为太阳能燃料是解决环境污染最有效方法之一。尽管已有报道通过光催化将CO₂还原为多种产物，包括一氧化碳、甲烷、甲醇甚至多碳产物，但精确调节光催化CO₂还原选择性仍处于起步阶段。氧空位引起的局部电子富集会改变光催化剂的表面化学环境，促进光催化CO₂还原反应中CO₂的吸附和活化。氧空位为光生电荷载流子的分离和迁移提供持续的驱动力。受氧空位促进CO₂分子吸附和活化的启发，作者以钛酸钡 (BaTiO3) 为模型催化剂，通过NaBH₄还原法制备了一系列氧空位浓度可调的BaTiO₃，用于光催化CO₂还原反应，并发现氧空位显著影响光催化CO₂还原的活性和选择性。无氧空位的BaTiO₃显示出低光催化活性，主要产物是CO；具有合适浓度氧空位的 BaTiO₃对CO₂的还原活性约为前者的10倍，选择性高达90%。通过电化学表征、CO₂吸附和原位FTIR，揭示了CO₂光还原机理以及具有不同氧空位浓度的催化剂产生不同性能和选择性的原因。提出合适浓度氧空位的存在促进BaTiO₃表面对CO₂和H₂O的吸附，同时也改善了光生载流子的分离和转移，提高了光催化CO₂还原为甲烷的选择性。本文对通过氧空位调节CO₂光催化选择性有一定的参考意义。

PART04

图文导读

图1 所制备BaTiO₃的结构示意和表征。a 四方相BaTiO₃晶体结构示意图；b所制备BaTiO₃ XRD图；c 四方相BaTiO₃TEM照片；d 四方相BaTiO₃高分辨率TEM图像。

图2 具有不同氧空位浓度的BaTiO₃的结构表征。a局部放大X射线衍射谱图、b紫外-可见光吸收光谱、c 电子自旋共振谱、d拉曼光谱。图中标注的温度是指具有相应还原温度的样品。

图3  具有不同氧空位浓度BaTiO₃的活性测试。a CO 和b CH₄产物活性随时间变化示意图。以¹³CO₂作为反应物，产物c CO 和d CH₄ 质谱图。e还原温度为698 K的BaTiO₃ CO₂还原产物活性变化。f还原温度为698 K的BaTiO₃和再生之后的BaTiO₃ CO₂还原活性变化。

图4  具有不同氧空位浓度BaTiO₃的活性测试的电子和表面结构表征。a CO₂吸附b i-t曲线。c电化学阻抗谱。d对水的接触角照片。

图5 a BaTiO₃ 和b还原温度为598 K 的BaTiO₃的原位FTIR光谱图 

具有合适氧空位浓度的BaTiO₃光催化还原CO₂示意图

PART05

通讯作者简介

 李仁贵 

李仁贵，博士，2014年中国科学院大连化学物理研究所获博士学位。曾在东京大学K. Domen教授组和加州理工学院Harry Atwater教授组做访问学者。2018年晋升为DICP正教授，主要研究方向为光催化太阳能转换。在 Joule、Nature Commun.、Angew Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等发表论文70余篇，5500多次引用。 李仁贵博士曾获国际催化大会青年科学家奖、中国催化新星等多项奖项。 现任《Chinese Journal of Catalysis》、《Chinese Chemical Letters》、《Journal of Applied Chemistry》编委。

Transactions of Tianjin University

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