1. 文章信息（xī）

標題：High-efficiency photoreduction of CO2 in a low vacuum

中文標題： 低真空下的高效光催化二氧化碳還原反應

頁碼：15389-15396

DOI：10.1039/d2cp00269h               

2. 文章鏈接

https://pubs-rsc-org-443.webvpn.las.ac.cn/en/content/articlelanding/2022/cp/d2cp00269h

3. 期刊信息

期刊名：Physical Chemistry Chemical Physics

ISSN：1463-9084

2021年影響因子（zǐ）：3.945

分區信（xìn）息： 二區TOP（升級版）

涉及研（yán）究方（fāng）向： 物理化學、化學物理、生物物理化學（xué） 

4. 作者信息：第一作者是 Yuxin Liu (劉鈺鑫) 。通訊作者為  Shuai Kang (康帥)、Zhuofeng Hu (胡卓鋒)、Wenqiang Lu (陸文（wén）強)。

5.產品型號：CEL-SPH2N係列全自動光解水係統

利用太陽光進行光催化反應製備綠（lǜ）色清潔能（néng）源（yuán）是（shì）非常誘人的技術。加之，如今人們依賴化石（shí）能源給大氣中排放了過多的CO2。將CO2在（zài）光的（de）作用下轉換（huàn）成可（kě）燃燒的CO、CH4或者其他碳氫化合物（wù）是一個兩全其美的方法。CO2是一個很（hěn）穩定的分子，許多研究關注製備高效、穩定（dìng）的光催化劑來提高CO2還原性能，這些研究主要（yào）通過擴展光響應範圍、加快電荷輸運、增加活性位點、選擇性吸附CO2等。但是，光催化CO2反應目前麵臨的一個大問題是，不管用哪種催化劑，反應的產物還是太少，不（bú）能在現實中實施。然而，反應中CO2的實際用量很少，每克催化劑每小時大約隻用（yòng）毫摩爾級的CO2，但是絕（jué）大部分研究在大氣壓下（xià）純二氧化碳中進行。我們（men）認為，在合（hé）適的CO2含（hán）量中研（yán）究CO2還原反應是很有意義的。因此，我們用常規TiO2作為光催化劑，在低真空下研究了光催化CO2的反應效率。

如下（xià）圖1，實驗表明低真空氣氛有助於提高光催（cuī）化CO2反應性能。在低濃度CO2（10%）中，低真空下反應的CH4產率提高了（le）100倍，純CO2中的CH4產率也提高了大約（yuē）18倍。通過質譜檢測，反應（yīng）生成（chéng）的（de）CH4來源於CO2而不是雜質等的其他物質。

圖1(a)不同氣壓下CH4產（chǎn）率,(b)-80kPa和大氣壓下CH4產率對比.(c)用13CO2反（fǎn）應（yīng）得（dé）到的13CH4的（de）質（zhì）譜譜線.

催化反（fǎn）應的穩定性在實際（jì）實施中舉足輕重，我們測試了在低真空下反應四個循環（圖2a）和連續反（fǎn）應（yīng）24小時（圖2b）的（de）情況，實驗表明，CH4產（chǎn）率和選擇性均穩定。24小（xiǎo）時後，CH4產率在低真空下（xià）是3.4umol，在大氣壓下（xià）是0.9umol.我們用XPS分析了（le）在不同氣壓下的催化反（fǎn）應過（guò）程（圖（tú）2c-d）。低（dī）真空下，反應3.5小時，催化（huà）劑表麵COH*飽和，一直持續到反應（yīng）24小時（有CH4生成）；而在大氣壓下，反應3.5小時的COH*很少量，反應24下時催化劑表麵的COH*才逐漸飽和（如圖2e）。

圖2 低真空（kōng）下光催化CO2反（fǎn）應的穩定性測試.(a)循環測試,(b)連續測試.測試前後催化劑表麵COOH*和CO*的(c)C1s變化情況和(d)定量分析,(e)COH*的演變圖.

我們分析了低真空下光催化CO2反應的機理。如圖3a，TiO2吸收了光子產生（shēng）電子，這（zhè）些光電子一（yī）部分（fèn）與（yǔ）CO2反應生成（chéng）CO和（hé）CH4。檢測到的光電流是電子-空穴再結合和表麵吸附物質導致的電（diàn）子湮滅這兩者的競爭結果導致。在低（dī）氣壓下，後者被抑製，體現出增大的光電流（如圖3b）,這有助於CO2的還原反應（yīng）。另外，大氣中的氣體分子由於布朗運動能促（cù）進CO從催化劑表（biǎo）麵的脫附，不利於（yú）CH4的生成（如圖（tú）3c）。大氣中的氣體分子也會占據催化劑表麵的位點，導致CO-不（bú）易與-H結合，阻礙（ài）CH4的生成（如圖3d）。

圖3低真空下（xià）光（guāng）催化CO2反應（yīng）的機理分析.(a)TiO2的能帶結構,(b)不同氣壓下的光電流對比，(c)布朗運動對反應的影響,(d)活（huó）性位點抑（yì）製.

為了驗證低（dī）真空下光催化CO2反應性能提高，我們（men）用Pt-TiO2催化劑研究了光催（cuī）化CO2反應，結果如圖（tú）4。低真空下（xià），CH4產率是1.47umol，選擇性是94.71%；而大（dà）氣（qì）壓下，CH4產率是0.83umol，選擇性是81.14%。

圖4低真（zhēn）空下光催化CO2反應的驗證.(a)Pt-TiO2的CH4產率,(b)不同Pt含量的CH4產率對比.

總之，研究表明氣壓對光催化（huà）CO2還原反應有（yǒu）很大的影響,低真空下光催化CO2反應性能有所提高。不論在純CO2中還是在低濃度CO2（10%）中，這個結論依然成立。性能增強主要（yào）來源於低真空下光電子能更好的（de）聚集、布朗運動較弱（ruò）、有更多的活性位點（diǎn）。我們認（rèn）為這種從工（gōng）程學角度來提高光催（cuī）化CO2的反應效率是有效且普適的策略，能為光電催化CO2還原反應和其他反（fǎn）應提供有價（jià）值的參考。