湖南大学尹双凤课题组综述： 光电催化二氧化碳还原过程强化策略

第一作者：周威

通讯作者：尹双凤

通讯单位：湖南大学化学化工学院，化学生物传感与计量学国家重点实验室，湖南大学先进催化教育部工程研究中心

注：此综述是光催化剂特刊邀请稿，客座编辑：尹双凤教授、区泽堂教授、李华明教授

引用信息

周威,郭君康,申升,潘金波,唐杰,陈浪,区泽堂,尹双凤. 光电催化二氧化碳还原研究进展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(3): 1906048.

doi: 10.3866/PKU.WHXB201906048

Wei Zhou, Jun-Kang Guo, Sheng Shen, Jinbo Pan,Jie Tang, Lang Chen, Chak-Tong Au, Shuang-Feng Yin. Progress in Photoelectrocatalytic Reduction of Carbon Dioxide[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(3): 1906048.

doi: 10.3866/PKU.WHXB201906048

主要亮点：

基于光电催化CO₂ 还原反应过程，从强化光吸收、载流子分离以及界面反应三个角度出发，简要阐述了提升光电催化CO₂ 还原反应效率的基本策略。介绍了包括元素掺杂、负载、构建异质结以及强化材料的CO₂ 吸附性能等方式来提高光电催化CO₂ 还原反应效率。

研究背景：意义、现状

CO₂ 是潜在的碳一资源，可用于制备多种更高价值的化学品，如一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸等。传统的热催化转化CO₂ 方法能耗高，反应条件苛刻。如何在温和条件下高效地将CO₂ 转化成高附加值的化学品，一直以来是催化领域的研究热点和难点之一。光催化技术具有反应条件温和、绿色环保的优点。然而，纯光催化反应普遍存在光生载流子分离效率低，太阳能利用效率有限等问题。针对上述问题，在光催化的基础上引入外加偏压，采用光电催化，可以提高载流子的分离效率，在较低的过电位下，实现多电子、质子向CO₂ 转移，从而提高催化反应效率。总之，光电催化技术可以结合光和电两者的优势，提高CO₂ 催化还原反应效率，为清洁、绿色利用CO₂ 提供了一种新方法。本文依据光电催化CO₂ 还原反应基本过程，从光吸收、载流子分离和界面反应三个角度综述了光电催化反应的强化策略，并对未来可能的研究方向进行了展望。

核心内容

1.   光吸收强化策略

根据光催化原理可知，半导体的光吸收能力与其能带结构密切相关。因此，优化半导体材料能带结构是强化光催化剂吸光性能的一个主要策略。此外，在光催化剂上负载吸光材料也是强化催化剂光吸收性能的一个有效方法。具体强化策略如下：

（1）金属元素掺杂调控催化材料的能带结构，从而提高光吸收性能；

（2）金属纳米颗粒负载，通过等离子共振效应拓展光吸收范围；

（3）染料分子敏化和量子点负载增强催化剂的光吸收范围和能力。

图1  (A) 在0.1 mol ∙ L⁻¹ NaHCO₃ 溶液中，Mg 掺杂的CuFeO₂ 线性扫描伏安曲线；(B) 0.1 mol ∙ L⁻¹ NaHCO₃ 溶液中，−0.4 V 电压下，入射光-电流效率(IPCE) 变化曲线

2.   载流子分离强化策略

在光电催化CO₂ 还原过程中，光生载流子在催化剂体相和表面会发生大量的复合，从而大大降低催化反应效率。因此，增强光生载流子的分离效率是提高光电催化效率的重要手段。具体强化策略如下：

（1）构建异质结结构，通过内建电场建立，促进光生电子和空穴分离和定向转移；

（2）外加电场可以促进光生载流子分离，从而提高光电催化效率。

图2  不同光催化剂上电子、空穴转移示意图：(a) 普通半导体光催化剂；(b) Ⅱ型异质结

3. 界面反应强化策略

界面反应是光电催化过程至关重要的一步。光生载流子产生、分离后，最终需要转移到催化剂的表面参与氧化还原反应。对于光电还原CO₂ 体系，当光生载流子到达催化剂表面之后，电子参与CO₂ 还原反应，空穴则参与H₂O 的氧化反应。研究表明，强化界面反应过程对于提高光电催化还原CO₂ 反应效率至关重要。具体强化策略如下：

（1）借鉴绿色植物光合作用的原理，设计合成有利于吸附和活化CO₂ 的复合催化剂；

（2）助催化剂通常用于加速多电子反应。引入助催化剂，可以降低反应过电位，促进光生载流子向催化剂表面转移，促进界面反应，提高催化反应效率。

图3  模拟酶-Co₃O₄/CA 复合催化剂界面CO₂ 吸附增强示意图

结论与展望

本文基于光电催化材料的设计，从光吸收、载流子分离和界面反应等三个方面展开，总结了研究者一系列的工作。对催化材料进行元素掺杂或者负载具有LSPR 效应的金属和非金属都可以有效改善催化剂的光吸收性能；通过构建异质结，可以显著增强光生载流子的分离与转移；通过催化剂结构设计，强化材料的CO₂ 吸附性能或者引入助催化剂的方式，可以从动力学上加速催化反应的界面过程。

总体而言，光电催化CO₂ 还原反应仍存在不少问题有待解决。例如，目前大部分光电催化剂中都含有贵金属材料，并且光电催化效率和高附加值产物的选择性都不高。设计和创制高效的非贵金属基或非金属基催化剂替代贵金属基催化剂，对于未来光电催化技术的工业应用，具有十分重要的意义。此外，目前光电催化CO₂ 还原的反应机制仍不清晰，且缺乏有效的表征技术进行有针对性的机理研究，这也是制约光催化技术进一步发展的重要因素。

☎作者介绍

 尹 双 凤  

1973年生，国家杰出青年基金获得者。现任湖南大学化学化工学院教授，博士生导师，湖南大学科学技术研究院院长。2003年于清华大学获得博士学位。主要从事光/电催化、小分子烃催化转化及新型催化材料研究。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201906048