二氧化钛光催化剂 ofEnvironmentalScience

原始资料

二氧化钛基半导体光催化还原二氧化碳生产燃料

陈曦1，方明JIN1 2

作者：

1. 上海交通大学中英低碳学院, 中国上海 201306

2. 上海交通大学环境科学与工程学院, 金属基复合材料国家重点实验室, 上海 200240

原文链接：

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随着现代工业的快速发展和二氧化碳等温室气体的大量排放，导致全球变暖，对人类和其他生物的生存构成严重威胁。由于人类活动频繁且不合理，特别是化石燃料的大规模燃烧，自然碳循环的原有平衡遭到严重破坏。目前，大气中的二氧化碳水平在很大程度上偏离了它们在过去几百万年中保持的合理值，并且处于历史最高水平（约 410 ppm）。此外，按照目前的增长速度，预计未来几年会出现更高浓度的新记录。为了应对气候变化，科学家们正在努力以一种高效可行的方式来捕获、储存和使用二氧化碳。事实上，二氧化碳可以作为一种丰富且廉价且易于获得的C1平台资源，用于生产各种化学品和燃料，包括甲酸（HCOOH）、甲醇（CH₃OH）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）等。以二氧化碳为基础的C1化学为增加社会能源供应和减少对石油的依赖，帮助关闭碳循环二氧化钛光催化剂，实现零净碳排放指明了新方向。然而，与CO 2 转化为燃料有关的一个重要问题是进行转化所需的能量输入可能部分或有时完全抵消所产生的燃料。因此，如果使用的能源来自不可再生的化石燃料，则必须通过各种手段将反应系统的能源消耗降至最低。然而，为了最大限度地提高利用二氧化碳生产燃料的效率，另一种选择是使用可再生能源减少二氧化碳来制造化学品和燃料。

太阳能是一种清洁、可持续和丰富的能源。据测算，充分利用每小时到达地球的太阳能总量，可大致满足全球每年能源消耗的需要。使用半导体光催化还原二氧化碳提供了一种可行且有前途的方法来利用太阳能并将其作为化学燃料储存。它类似于植物中的光合作用，将CO₂和水转化为碳水化合物，而在光催化还原中合理设计或修饰的半导体用作催化剂，以加快反应速率，调节对不同产物的选择性，提高产率。自 1979 年首次应用以来，二氧化钛（TiO₂）基材料已成为光催化二氧化碳还原中应用最广泛的半导体材料，主要是因为其丰富且无毒、廉价、稳定、耐光腐蚀等优点。光催化还原CO2的原理如图1（b）所示。半导体的特征在于它们的带隙结构。间隙上方是导带（CB），间隙下方是价带（VB）。对于 TiO2 材料，带隙通常约为 3 eV，因此未经处理的 TiO2 主要吸收紫外 (UV) 范围内的能量。照射后，电子可以从 VB 激发到 CB 并同时在 VB 中产生空穴。分离的电子和空穴（电荷载流子）可以转移到表面并用作活性位点以分别还原或氧化吸附的反应物。因此，电子-空穴对的有效分离对于提高光催化效率至关重要。由于紫外光占太阳能全光谱的不到 10%，而可见光约占 43%，因此科学家们探索了各种方法来制备可见光响应的二氧化钛材料，其中大多数通常可以同时改善电荷分离和增强CO₂吸附等。此外，抑制氢气（H）从水中逸出也是催化剂设计的目标，以提高光催化还原 CO2 的选择性。通常，这些方法涉及两个主要策略：TiO 2 的纳米结构工程和引入其他组分以改进催化系统。纳米结构工程通常侧重于改变晶格、晶相、形貌等。其他组分的引入包括一种或多种金属/非金属元素的引入，引入的组分通常称为助催化剂。此外，多组分杂化二氧化钛复合材料也被广泛报道，以充分利用不同组分的协同作用。

图。 1 CO₂作为丰富、廉价、易获取的C1平台资源的应用

(a) 从二氧化碳和燃料建议中生产化学品；

(b)光催化还原CO2示意图

在这篇综述中，作者介绍了过去几年使用 TiO2 基半导体光催化 CO2 还原的进展。阐述了通过结构工程手段调控和提高二氧化碳催化剂性能的相关工作，总结了添加第二/第三外源元素合成催化剂提高二氧化碳催化剂活性和选择性的工作。多元复合材料在二氧化碳催化还原中的应用。

摘要 为应对全球变暖危机，控制和缓解大气中的二氧化碳水平势在必行。将二氧化碳光催化还原为太阳能燃料提供了一种令人满意的解决方案，可以利用和减少二氧化碳排放，同时产生可再生能源来维持社会。到目前为止，基于氧化钛的半导体是最普遍的

关键词光催化；二氧化碳还原；半导体；二氧化钛；可再生燃料

关于作者

陈曦，上海交通大学中英国际低碳研究院助理教授，毕业于新加坡国立大学，获博士学位。主要研究方向为：固体废物资源化利用；废弃生物质的转化利用；功能材料和碳材料的合成；可降解绿色环保材料；纳米催化等。

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金方明，上海交通大学环境科学与工程学院特聘教授，日本东北大学客座教授。主要研究方向为：二氧化碳资源化利用；生物质和固体废物的资源化利用；高浓度难降解工业废水资源化利用；制氢和光催化剂研究；源头治理绿色、环保新技术等。

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引用这篇文章

陈曦二氧化钛光催化剂，金方明。基于氧化钛的半导体光催化还原二氧化碳以生产燃料。正面。能源, 2019, 13(2): 207-220.

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