铁电极化和BiNi双金属活化协同增强ZnTe光电还原CO2制甲酸研究
批准号:
22102112
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
熊贤强
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
熊贤强
中文摘要
光电化学CO2还原是当前能源研究的热点,但光电催化效率和选择性较低。本项目以载流子分离、界面CO2催化转化路径的精准调控为思路,拟开展BaTiO3/ZnTe/Bi-Ni复合电极光电催化还原CO2制甲酸的研究,利用ZnTe捕获可见光,通过铁电材料BaTiO3的表面极化电场调控ZnTe光生载流子定向分离,并引入Ni纳米颗粒修饰的金属Bi催化剂活化水和CO2分子,促进水裂解活性氢与CO2活化中间体的耦合,加速*OCHO关键中间体的形成,实现甲酸的定向转化。研究将以光阴极材料结构精准设计-界面CO2催化转化机制为主线,深入探索光电极的催化性能与各组元的组成、微结构之间的作用规律;综合原位时间分辨光谱技术和理论计算,探索催化过程中电子/能量的转移/传输规律和机制,明确激发态载流子动力学和反应中间体的动态演化过程。该研究对光生载流子的定向调控,CO2的控制转化,以及新型光阴极的开发具有重要的科学意义。
英文摘要
Photoelectrocatalytic CO2 reduction is the hot topics in energy research, but the photoelectrocatalytic efficiency and selectivity are still low. This project intends to design BaTiO3/ZnTe/Bi-Ni composite photocathode based on the idea of charge separation and selective CO2 conversion. The ZnTe is used to capture the visible light, and the surface polarization electric field on the ferroelectric materials (BaTiO3) is used to induce the directional separation of photogenerated carriers. In addition, Ni nanoparticle modified metal Bi catalyst was introduced to activate water and CO2 molecules, promoting the coupling of active hydrogen and intermediates originating from CO2 activation, accelerating the formation of *OCHO intermediates, and realizing the directional conversion of formic acid. The study will focus on the precise structure design of photoelectrode materials and the catalytic conversion mechanism of CO2 at the interface, and explore the interaction between the catalytic performance of photoelectrode and the composition and microstructure of each component. Combining the time-resolved spectroscopy, in-situ infrared spectroscopy and theoretical calculations, the mechanism of electron transfer and energy transmission is explored in the catalytic process, and the dynamics of excited carriers and the dynamic evolution process of reaction intermediates are clarified. This project will provide the scientific basis for the directional regulation of photogenerated charges, the selective conversion of carbon dioxide, and the design and development of photocathodes for CO2 reduction.
本项目聚焦CO2资源化利用,旨在用光电催化技术缓解温室效应与能源危机。本项目选择p型半导体材料ZnTe进行研究,因其独特的超负导带电位和可见光吸收能力,被认为具有提高CO2光电催化还原效率的潜力。首先,我们采用热蒸发沉积法合成了致密的ZnTe薄膜,并借助超快光谱研究ZnTe光阴极的动力学过程。研究显示,深陷阱捕获载流子,限制了ZnTe的光电催化活性。为解决此问题,我们引入TiO2对ZnTe进行处理,构建了高性能的Z型体系。这种结构加速了载流子的分离,显著提升了其在CO2还原反应中的活性与稳定性。其次,以ZnO/ZnTe光电极为模型,引入Au助催化剂进行精细修饰。通过飞秒超快瞬态吸收研究发现,Au能有效抑制ZnTe的深陷阱效应,延长光生载流子的寿命,并大幅提高CO2的光电催化还原活性,为实现高效光电催化提供了新的可能性。此外,采用铁电材料BiFeO3与S掺杂的金属Bi原子共同修饰ZnTe。BiFeO3的自发极化电场促使光生载流子定向分离,而Bi-S催化剂则有效活化水和CO2分子,优化催化反应路径,保障甲酸产物的高选择性和产率。这一策略不仅提升了材料的光电催化性能,也为提高反应选择性奠定基础。本项目对ZnTe基复合电极结构和界面动力学进行了系统研究,提出的改性策略有效改善了ZnTe的光电催化性能,为ZnTe在CO2资源化利用领域的应用提供了科学理论支持与实践指导。依托本项目,在Adv. Mater.和Appl. Catal. B: Environ.等期刊发表SCI论文15篇。
BiFeO3极化和Bi-S活化增强ZnTe光电催化还原CO2制甲酸研究
-
批准号:LQ21B030003
-
项目类别:省市级项目
-
资助金额:0.0万元
-
批准年份:2020
-
负责人:熊贤强
-
依托单位:
国内基金
海外基金