中山大学纪红兵教授、广西大学秦祖赠教授团队综述：光催化CO2还原的超薄层状催化剂

第一作者：秦祖赠

通讯作者：秦祖赠，纪红兵

通讯单位：广西大学化学化工学院，中山大学化学学院

注：此综述是“CO₂还原”专刊邀请稿，客座编辑：中国科学院化学研究所刘志敏研究员、北京化工大学孙振宇教授

引用信息

秦祖赠, 吴靖, 李斌, 苏通明, 纪红兵. 光催化CO₂还原的超薄层状催化剂. 物理化学学报, 2021, 37 (5), 2005027.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202005027

Zuzeng Qin, Jing Wu, Bin Li, Tongming Su, Hongbing Ji. Ultrathin Layered Catalyst for Photocatalytic Reduction of CO₂. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (5), 2005027.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202005027

主要亮点

光催化CO₂还原是解决大气中二氧化碳含量上升的最有前景的手段之一，该技术的核心是开发高效、环保、廉价的光催化剂。凭借大比表面积、大量低配位表面原子，从催化剂内部到表面转移距离更短等性能优势，超薄层状材料显示出实现光催化二氧化碳还原的巨大潜力。本文总结了用于光催化CO2还原的超薄层状光催化剂的最新进展，对采用厚度调整、掺杂、构造缺陷和复合等改进催化剂光催化性能的策略进行了讨论。

研究背景：意义、现状

随着工业化进程加快和消费结构的持续升级，大气中CO₂的含量远超过去水平，成为了一个严重的全球性环境问题。光催化CO₂还原是解决大气中二氧化碳含量上升的最有前景的手段之一，该技术的核心是开发高效、环保、廉价的光催化剂。在过去几十年中已经探索了大量用于CO₂还原的半导体或复合半导体光催化剂，但大多数光催化剂存在光吸收范围较小、光生载流子的分离和迁移效率低、反应活性位点不足等问题，催化效率相对较低，不能满足大规模工业应用。超薄层状材料的出现为提高CO₂还原光催化活性带来了前所未有的机遇：超高比表面积和大量低配位表面原子将有利于CO₂的吸附和活化；低配位表面原子易从晶格脱离形成空位缺陷，有利于CO₂吸附和电子结构的改善；超薄厚度可导致明显的量子限域效应；超薄的平面结构减少了光生载流子的损失；载流子在同一层中沿着表面移动可确保沿表面的高电荷迁移率；2D结构有利于催化剂与其他组成单元组装复合光催化剂；通过表面掺杂、修饰等手段就可以大大改变催化剂的特性和性能。本文总结了用于光催化CO₂还原的超薄层状催化剂的最新进展，对超薄层状光催化剂光催化CO₂还原性能的改良策略进行总结。

核心内容

1  光催化CO₂还原层状光催化剂的分类

包括非金属层状光催化剂（如石墨相氮化碳g-C₃N₄、黑磷、氧化石墨烯）、含金属层状光催化剂（TiO₂、ZnO、WO₃、Co₃O₄等金属氧化物纳米片，Bi₂WO₆、Bi₂MoO₆、Sr₃Ti₂O₇、ALa₄Ti₄O₁₅ (A = Ca,Sr,Ba)等层状钙钛矿），卤氧化铋，MoS₂、SnS₂等过渡金属硫化物(TMDC)，Ti₂CO₂、Hf₂CO₂和Sc₂CO₂等MXene材料，层状双氢氧化物(LDHs)，二维金属有机骨架(MOF)及二维层状锗硅烷等。

图1  用于光催化CO₂还原的钙钛矿光催化剂的元素组成

2  超薄层状材料的制备

超薄层状光催化材料主要通过剥离或刻蚀块状材料来获得石墨烯、g-C3N4和氮化硼(h-BN)及黑烯等材料、及采用化学气相沉积(CVD)、模板法、表面活性剂自组装法和层状杂化中间体等方法直接合成超薄结构等方法获得。

3  提高超薄层状材料光催化CO₂还原能力的策略

通过对超薄层状催化剂的厚度调整，金属或非金属掺杂，引入阴离子空位、阳离子空位等缺陷或进行D/2D和2D/2D复合，光催化性能可能出现明显的提升。

图2 原位水热法合成g-C₃N₄/NiAl-LDH2D/2D异质结催化剂示意图

结论与展望

光催化CO₂还原是一项非常有前景的CO₂利用途径，它可以利用取之不尽的太阳能将CO₂转化为高附加值化学品。在开发光催化性能优于块状材料的超薄层状材料方面，目前已经取得了令人瞩目的成果。尽管超薄层状光催化剂的研究已经取得了长足进步，但在CO₂还原领域它仍然面临着巨大的挑战，如：厚度可控的超薄层状半导体的大规模制备；超薄结构给催化剂带来了高表面积的同时，表面易被光生空穴和电子分解，光稳定性相较于晶体结构的下降也是一个必需解决的问题；光催化CO₂还原研究主要集中在催化活性的提升的方向，模拟计算也大多停留在半导体本身性质和CO₂吸附阶段，对CO₂转化的机理和产物选择性的研究不多；目前仍没有一种光催化剂同时满足低成本，高稳定性，高CO₂还原活性这三个要求。因此在研究现有光催化剂改良方法的同时，仍需要付出巨大的努力来开发新的性能更加出色的光催化剂。

☎作者介绍

 秦 祖 赠 

1978年生，教授，博导，广西大学化学化工学院副院长。2009年于广西大学获博士学位。主要从事多相催化和光催化分解水制氢等方面的研究。

 纪 红 兵 

纪红兵，1970年生。广东石油化工学院副书记、副校长、中山大学精细化工研究院院长、国家重点研发计划项目首席科学家、长江学者特聘教授、中国化工学会理事。主要从事环境友好的催化过程、绿色化工技术和化工园区管理研究。

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.WHXB202005027