1. 文章信息

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

中文標題： 低真（zhēn）空下的高（gāo）效光催（cuī）化（huà）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

分區信息： 二區（qū）TOP（升級版）

涉及研究方向： 物理化學、化學物理、生物物理化學（xué） 

4. 作者信（xìn）息（xī）：第一作者（zhě）是 Yuxin Liu (劉（liú）鈺鑫) 。通訊作者為  Shuai Kang (康帥（shuài）)、Zhuofeng Hu (胡卓鋒)、Wenqiang Lu (陸文強)。

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（yīng）製備綠色清潔能源是非常誘人的技術。加之，如今人們依賴化石能源（yuán）給大氣中排放了過多的CO2。將CO2在光的作用下轉換成可燃燒的（de）CO、CH4或者其他碳氫化合物是一個兩全其美的方法。CO2是一個很穩（wěn）定的分子，許多研究關注製備高（gāo）效、穩定的光催化劑來提高CO2還原性能，這些研究主要通過擴展（zhǎn）光響應（yīng）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（mù）前麵（miàn）臨的一（yī）個大問題是，不（bú）管用哪種催化劑，反應的產物還是太少（shǎo），不能在現實中實施。然而，反應中CO2的實際用量很少，每克催化劑每小（xiǎo）時大約隻用毫摩爾級的CO2，但是（shì）絕大部分研究在大氣壓下（xià）純二氧化碳（tàn）中進行。我（wǒ）們認為，在合適的CO2含量中研究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（zài）低真空下研究了光催（cuī）化CO2的反應效率。

如（rú）下圖1，實驗表明低真（zhēn）空氣氛有助於提高光催化CO2反應性（xìng）能。在低（dī）濃度CO2（10%）中，低真空下反應的CH4產率提高了100倍，純CO2中（zhōng）的CH4產率也提高了大約18倍。通過質譜檢測，反應生成的CH4來源於CO2而（ér）不是雜質等的其他物質。

圖1(a)不（bú）同氣壓下CH4產率,(b)-80kPa和大氣壓下CH4產率對比.(c)用13CO2反應得到的13CH4的質譜譜線.

催化反應的穩定性在實際實施中舉足輕重，我們測試了在低真空下反應四個（gè）循（xún）環（圖2a）和連續（xù）反應24小時（圖2b）的情況，實驗表（biǎo）明，CH4產率和選擇性均穩定。24小時後，CH4產率在低真空下是3.4umol，在大氣壓下是0.9umol.我們用XPS分析了（le）在不（bú）同氣壓（yā）下的催化（huà）反應（yīng）過程（圖2c-d）。低真空下（xià），反應3.5小時，催化劑表麵COH*飽（bǎo）和，一直持續到反應24小時（有CH4生成（chéng））；而在大（dà）氣壓下，反應3.5小時的COH*很少量，反應（yīng）24下時催化劑表麵的COH*才逐漸飽和（hé）（如圖2e）。

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

我們分析了低真空下光催化CO2反應的機理。如（rú）圖3a，TiO2吸收了光子產生電子（zǐ），這些光電子一部分與CO2反應生成CO和CH4。檢測到的光電流是電子-空穴再結合和（hé）表麵吸附物質導致的電子湮滅（miè）這兩者的競爭結果導致（zhì）。在低氣壓下，後者被抑製，體現（xiàn）出增大（dà）的光電流（liú）（如（rú）圖3b）,這有助於CO2的還原反應。另外，大氣中的氣體分（fèn）子（zǐ）由於布朗運動能促進CO從（cóng）催化劑表麵的脫附，不利於CH4的生成（如圖3c）。大氣中的氣體分子也會占據（jù）催化（huà）劑表麵的位點，導致CO-不易與-H結合，阻礙CH4的生成（如圖3d）。

圖3低真空下光催（cuī）化CO2反應的機（jī）理分析.(a)TiO2的能帶結構,(b)不同氣壓下的光電流（liú）對比，(c)布（bù）朗（lǎng）運（yùn）動對反應的影響,(d)活性（xìng）位點抑（yì）製.

為了（le）驗證低真（zhēn）空下光催化CO2反應性能提高，我們用Pt-TiO2催化劑研究了光催化CO2反應，結果如（rú）圖4。低真空下，CH4產率（lǜ）是1.47umol，選（xuǎn）擇性是94.71%；而大氣（qì）壓下，CH4產率是0.83umol，選擇性是81.14%。

圖4低真空下光（guāng）催化CO2反應的驗證.(a)Pt-TiO2的CH4產率（lǜ）,(b)不同Pt含（hán）量的CH4產率對比.

總之（zhī），研究表明氣壓對光催化CO2還原反應有很大的影響,低真（zhēn）空下光（guāng）催化CO2反應性能有所提高。不論在純CO2中還是（shì）在低濃度CO2（10%）中，這個結論依然成（chéng）立。性能增強主要（yào）來源於低真空下光電子能更好的聚集、布（bù）朗運動較弱（ruò）、有更多的活性位點。我們認為這種從工程學（xué）角度（dù）來提高光催化CO2的反應效率是有效且普適的策略，能為（wéi）光電催化CO2還原反應和其他反應提供有（yǒu）價值的參考（kǎo）。