疏水材料表面三相光催化体系的构建及二氧化碳还原反应选择性的提高

来源：X一MOL资讯

以煤与石油为代表的传统化石能源的大量使用给人类社会带来了能源短缺、环境污染等亟待解决的问题。光催化二氧化碳还原反应（CRR）可以利用可再生、无污染的太阳能源将二氧化碳 (CO2) 和水 (H2O) 转化为诸多具有高附加值的含碳产物，为解决能源和环境问题提供了极具前景的研究方向。但由于理想的光催化CRR常以H2O提供氢源，故常伴有严重的光催化水分解产氢副反应（HER），将大大降低CRR含碳产物生成的活性与选择性。Li等研究人员指出，在水相体系中，由于CO2溶解度较低，一个大气压下的CO2分子数量仅占H2O分子数量的约1/1300。Raciti等研究者指出，随着反应驱动力的增大，催化剂表面的CO2会被迅速消耗，且CO2在水中较低的扩散系数会造成传质限制，使得CO2分子不可及时补充，导致表面CO2分子浓度急剧降低。以上结果显然不利于以CO2为原料的CRR反应。

近期，德国马克斯-普朗克研究所的Markus Antonietti教授与天津大学的巩金龙教授合作，报道了一种负载有Pt颗粒的疏水聚合物氮化碳纳米片（Pt/o-PCN）材料。研究发现，该催化剂的疏水表面可使气相（CO2）、液相（H2O）和固相（催化剂）进行有效接触，从而使气相的CO2分子可直达催化剂表面，大大提高表面处CO2分子的浓度，降低H2O分子浓度，从而使CO2与H2O的比例更为合适，打破了CO2的传质限制，可促进CRR，抑制HER，最终提高含碳产物的选择性。

研究人员首先利用改进的热剥离方法合成出聚合物氮化碳纳米片（PCN）。PCN作为一种稳定、无毒、可见光响应、大比表面积的半导体材料，可充分利用太阳光能，并能提供充足的负载与反应位点，有利于光催化反应的进行。但是直接合成出的PCN与常用光催化剂类似，其表面为亲水性表面。对此，研究人员使用光负载的方法，利用稳定的聚合物对其表面进行了疏水改造。随后，研究者向此疏水表面均匀负载了Pt颗粒以促进还原反应的进行。与Pt负载的亲水PCN（Pt/PCN）相比，Pt/o-PCN可使含碳产物的选择性得到很大的提高。

这一工作通过制备Pt颗粒负载的的疏水聚合物氮化碳纳米片，在三相光催化反应的作用下，有效提高了催化剂表面的二氧化碳浓度，为探索和促进光催化CRR中的二氧化碳传质速率，进而提高含碳产物的活性与选择性提供了有效的途径。相关结果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章第一作者为李盎。

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Three-Phase Photocatalysis for the Enhanced Selectivity and Activity of CO2 Reduction on Hydrophobic Surface

Ang Li, Qian Cao, Guangye Zhou, Bernhard V. K. J. Schmidt, Wenjin Zhu, Xintong Yuan, Hailing Huo, Jinlong Gong, Markus Antonietti

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201908058

导师介绍

巩金龙

https://www.x-mol.com/university/faculty/13053

（本稿件来自Wiley）