光伏与光电催化相结合的CO2还原制备高附加值化学品及相关机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21673052
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0205.电化学
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

With the development of social economy, fossil fuel has been unable to meet the human demand for energy. Moreover, fossil fuel combustion emits large amount of greenhouse gas CO2. CO2 reduction via photoelectrocatalysis combined with photovoltaics has the merits of both high conversion efficiency of electrocatalysis and environment-friendliness and low energy consumption of photocatalysis. This project will perform the photoelectrocatalytic reduction of CO2 using dye-sensitized solar cells as driving force, achieving total solar-driven catalytic conversion of CO2 into useful fuels and value-added chemical materials without external electrical input. Firstly, a series of transition metal-based molecule catalysts, nano semiconductor thin films, and molecule catalyst/semiconductor composite electrodes with different photoelectrochemical properties will be designed and synthesized. Afterwards, the output photovoltage/photocurrent of the solar cells will be regulated via changing the structure of the dyes or fabricating multi junction series/parallel solar cells. Finally and the most important, the combination of photovoltaics with photoelectrocatalytic reduction of CO2, the influence mechanism of the photovoltage/photocurrent of the solar cells on the CO2 reduction pathways and conversion efficiency, as well as the influence of the molecule catalyst and the bonding mode of the molecule catalysts with the semiconductor films on CO2 reduction pathways and conversion efficiency will be systematically investigated by various off line and in-situ characterization techniques, such as UV-vis, cyclic voltammetry, photoelectrochemical measurements, in-situ FT-IR, in-situ ESR, laser flash photolysis, GC, 13C and 18O isotope labeling, and GC-MS, etc.. This research can help to provide experimental basis and theoretical guidance for synthesizing efficient transition metal-based molecule catalysts and semiconductor nano catalysts, better understanding the reduction pathway, designing applicable device for CO2 photo/electrochemical reduction, and further increasing the conversion efficiency of CO2 reduction.
随着社会经济的发展,化石能源已无法满足人类的能源需求,且燃烧排放出大量温室气体CO2。光伏发电与光电催化相结合进行CO2还原具有电催化的高转换效率和光催化的绿色清洁耗能低的优势。本项目拟将染料敏化太阳电池与光电催化还原CO2有机结合,实现全太阳能驱动的CO2转化为高附加值化学品。首先设计合成具有不同光电化学性质的过渡金属基分子催化剂和半导体复合的光电极;然后通过改变光敏染料结构或组建多结串/并联电池组调控电池的光电压/电流;最后借助各种离线和原位表征技术,系统研究光伏电池与光电催化还原CO2的有机结合及电池电压/电流对CO2催化还原的反应路径和转化效率的影响机制,并研究分子催化剂修饰半导体薄膜及二者的键合方式对还原性能的影响,从而为合成CO2光/电催化还原用高效分子催化剂,纳米半导体催化剂,更好地理解CO2还原的反应路径,研发合适的反应装置,进一步提高CO2还原转化效率提供实验和理论依据。

结项摘要

随着社会经济的发展,化石能源已无法满足人类的能源需求,且燃烧排放出大量温室气体CO2。太阳能驱动的CO2催化还原具有绿色清洁耗能低的优势。本项目主要研究太阳能驱动的CO2转化为高附加值化学品,揭示CO2还原相关机理和性能影响机制,并研究分子催化剂修饰半导体及二者复合方式对催化性能的影响。项目执行过程中证明了可将光伏电池与催化还原CO2有机结合实现全太阳能驱动的CO2还原转化;阐明了纳米晶氧化物衍生制备的Cu电极表面Cu2O的存在是CO2还原成C2产物的关键活性位点;揭示了氮化碳/羧基铁卟啉(g-C3N4/FeTCPP)复合催化剂催化还原CO2的性能及相关电子转移机理;中红外飞秒瞬态吸收证明碳点掺杂可使g-C3N4上自由或表面浅束缚态的电子寿命降低,碳点可以作为g-C3N4电子转移的通道促进光生电子从g-C3N4向催化中心铁卟啉转移,进而提高复合体系催化还原CO2的性能;针对CdS/铁卟啉复合体系,分别通过引入锌掺杂合成硫锌镉固溶体、硫化镉表面乙二胺修饰、原位合成CdS/Bi2S3异质结和CdS/Bi2S3/FeTCPP Z-Scheme型催化体系等构建了复合界面电荷传输通道提高界面电荷转移效率,提高载流子利用效率,实现了电子-空穴在空间上的有效分离,提高了电荷的利用效率,最终实现了对CO2的高效和高选择性催化还原;最后,以Au NP/金红石TiO2为模型,研究了贵金属纳米粒子改善反应动力学,并从动力学角度解释了催化反应中的活性和选择性问题。项目执行过程中已发表SCI收录论文10篇,影响因子均大于3,其中3篇Appl. Catal. B: Environ.的影响因子大于15,另外还有三篇未发表的相关工作和两篇专利正在投稿中。项目的开展为合成高效CO2催化还原用催化剂,更好地理解CO2还原的反应路径和相关还原机理,进一步提高CO2还原转化效率提供了实验依据和理论指导。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Boosting visible-light driven solar-fuel production over g-C3N4/tetra(4-carboxyphenyl)porphyrin iron(III) chloride hybrid photocatalyst via incorporation with carbon dots
通过与碳点结合,提高 g-C3N4/四(4-羧基苯基)卟啉铁(III)氯化物混合光催化剂的可见光驱动太阳能燃料产量
  • DOI:
    10.1016/j.apcatb.2020.118595
  • 发表时间:
    2020-05-15
  • 期刊:
    APPLIED CATALYSIS B-ENVIRONMENTAL
  • 影响因子:
    22.1
  • 作者:
    Zhang, Xuehua;Lin, Lin;He, Tao
  • 通讯作者:
    He, Tao
Modification of Ag nanoparticles on the surface of SrTiO3 particles and resultant influence on photoreduction of CO2
SrTiO3颗粒表面Ag纳米颗粒的修饰及其对CO2光还原的影响
  • DOI:
    10.1016/j.apsusc.2017.11.004
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Applied Surface Science
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Shao Kunjuan;Wang Yanjie;Iqbal Muzaffar;Lin Lin;Wang Kai;Zhang Xuehua;He Meng;He Tao
  • 通讯作者:
    He Tao
无模板法水热合成CoTe及其可见光光催化还原CO_2性能
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Acta Physico - Chimica Sinica
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周亮;张雪华;林琳;李盼;邵坤娟;李春忠;贺涛
  • 通讯作者:
    贺涛
Electrochemical reduction of CO2: Two- or three-electrode configuration
CO2 的电化学还原:两电极或三电极配置
  • DOI:
    10.1002/er.4904
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    International Journal of Energy Research
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Woldu Abebe Reda;Shah Aamir Hassan;Hu Haifeng;Cahen David;Zhang Xuehua;He Tao
  • 通讯作者:
    He Tao
Highly efficient visible-light driven solar-fuel production over tetra(4-carboxyphenyl)porphyrin iron(III) chloride using CdS/Bi2S3 heterostructure as photosensitizer
使用 CdS/Bi2S3 异质结构作为光敏剂,通过四(4-羧基苯基)卟啉铁(III)氯化物高效生产可见光驱动的太阳能燃料
  • DOI:
    10.1016/j.apcatb.2018.07.066
  • 发表时间:
    2018-12
  • 期刊:
    Applied Catalysis B: Environmental
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Li Pan;Zhang Xuehua;Hou Chunchao;Chen Yong;He Tao
  • 通讯作者:
    He Tao

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其他文献

特殊普通合伙制度,签字合伙人身份与审计质量
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    证券市场导报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    肖作平;张雪华
  • 通讯作者:
    张雪华
消退素D_1抑制内毒素诱导大鼠原代肺成纤维细胞环氧合酶-2及前列腺素E_2表达的研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    现代实用医学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郑声星;朱天琦;张雪华;叶绿
  • 通讯作者:
    叶绿
特殊普通合伙制、签字合伙人身份与审计质量
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    证券市场导报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    肖作平;张雪华;陈小林
  • 通讯作者:
    陈小林
多巴胺电化学检测研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    应用化工
  • 影响因子:
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  • 作者:
    张鑫;张雪华;何声太;贺涛
  • 通讯作者:
    贺涛
审计师工作量压力、组织支持与审计意见决策
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    管理科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    闫焕民;王浩宇;张雪华
  • 通讯作者:
    张雪华

其他文献

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张雪华的其他基金

有机功能分子界面修饰对有机/无机复合太阳电池性能的调控
  • 批准号:
    21203039
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    26.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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