我组与福州大学合作在人工光合成太阳燃料研究方面取得重要进展

503Group 发布于:2018-10-28

我组与福州大学合作在人工光合成太阳燃料研究方面取得重要进展


      近日,我组李灿老师与福州大学化学院王绪绪教授课题组合作发展了一种固态Z-机制复合光催化剂,在可见光下将H2O和CO2高效转化为甲烷(天然气),实现了太阳能人工光合成燃料过程,研究论文以“Visible-Light driven overall conversion of CO2 and H2O to CH4 and O2 on 
3D-SiC@2D-MoS2 heterostructure”为题,在美国化学会志(J. Am. Chem. Soc.)上发表,论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b09344

      人工光合成太阳燃料指利用太阳能等可再生能源通过光催化、光电催化或电催化将水和二氧化碳转化为化学燃料的过程,是模拟自然光合作用的过程,是人类根本上解决能源和环境问题的一个途径,是科学界圣杯式的难题,面临巨大的挑战。

      人工光合成太阳燃料的反应有若干个,其中,太阳能+ CO2+ 2H2O → CH4 + 2O2为涉及8个电子的多步反应,是最具挑战性的一个反应。迄今虽有大量文献报道,但效果却不尽人意。近年来虽然不少文献报道光催化产生CH4,这类反应大多是在有牺牲剂存在下取得的结果,并没有检测到释放氧气或氧气量远低于化学计量比,这不是真正意义上的太阳能转化为化学能的反应。因此,将水计量地氧化为氧气(或过氧化氢)并同时将二氧化碳高效还原为甲烷的光催化过程才实现真正意义上的太阳能到化学能的转化。

      针对这一难题,本工作用纳米晶(3D-SiC)和二维纳米片(2D-MoS2)通过静电组装技术构筑出了一种万寿菊型纳米花,其具有二型异质结和Z-scheme半导体构型。这种3D-SiC@2D-MoS2催化剂在可见光照射下表现出高达323 μL g-1 h-1的甲烷产率和 620 μL g-1 h-1氧气释放,在400 nm光照下,甲烷的光转化产率达到1.75%。这是目前报道的可见光下CO2用纯水全还原反应的最高产率。详细的产物分布分析和同位素示踪等实验和机理研究表明,伴随着H2O的氧化,CO2在光催化剂上依照CO2 → HCOOH → HCHO → CH3OH → CH4的加氢途径逐步被还原为甲烷。值得指出的是这个研究过程中检测到化学计量比例的氧气和甲烷(氧气/甲烷摩尔比接近2),用同位素实验确认了化学计量氧的生成,这对于学术界理解和进行人工光合成具有重要借鉴意义。这个工作为人工光合成太阳燃料提供了一条新的途径。

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(王绪绪/文图)