合肥光源用户在实现高效光催化二氧化碳还原研究中获得新进展
时间 : 2023-02-20     
在温和条件下,将CO2转化为有价值的化学原料或液体燃料,对于减轻温室效应和实现碳中和具有重要意义。其中,光催化被认为是一种利用太阳能转化CO2的绿色技术。在众多光催化剂中,聚合氮化碳(CN)以其优异的化学稳定性和低成本被认为是最有希望实现工业规模利用的光催化剂之一。然而,已报道的CN基材料仍然存在催化位点不足和电荷分离能力有限的问题,限制了其在光催化中的进一步实际应用。因此,需要新的策略以提高CN基材料上光生载流子和催化位点的分离能力,从而将CO2催化成高附加值产品。对比光催化CO2RR广泛生成的C1产物,生产高附加值的多碳产品和燃料受到了广泛关注。但是,与C1产物相比,高动力学障碍、缓慢的C-C偶联过程和复杂的反应路径使得生产高效的多碳产品变得非常具有挑战性。

基于此,安徽师范大学毛俊杰教授、清华大学王定胜副教授和西湖大学王涛特聘研究员等人报道了一种由锚定在石墨氮化碳上的PCu双位点组成的光催化剂(P/Cu SAs@CN),实现了载流子的高效分离,用于光催化CO2RR生成乙烷(C2H6)。得益于独特的原子结构,所制备的P/Cu SAs@CN光催化剂可以实现优异的CO2RR性能,C2H6产物选择性为33.0%。此外,C2H6的析出速率为616.6 μmol·g-1·h-1,约是Cu SAs@CN26倍。

如图a所示,像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(AC HAADF-STEM)观察到在P/Cu SAs@CN中单个Cu原子作为亮点,表明Cu原子是孤立分布。P/Cu SAs@CN的相应能量色散X射线光谱(EDS)元素映射图像(图b)证实了CuP在整个CN基质上的均匀分布。进一步地,该团队借助合肥光源软X射线磁性圆二色光束线站(BL12B-a)的同步辐射软X射线吸收谱的表征研究了P/Cu SAs@CN的电子结构。对于P/Cu SAs@CNC K-边谱(图c),在288.5 eV处的峰(方框)可以归因于π*(C-N-Cu)反键轨道。而对于P/Cu SAs@CNN K-边谱(图d),峰de分别来自吡啶环和吡咯环中的氮,峰f来自石墨氮。结果表明,P/Cu SAs@CN中吡啶N的比例略有增加,可能是由于形成了P-N配位结构。这一研究成果将提高我们对设计高效CO2RR催化剂的认识,相关成果以“P and Cu Dual Sites on Graphitic Carbon Nitride for Photocatalytic CO2 Reductionto Hydrocarbon Fuels with High C2H6 Evolution”为题,发表在国际著名学术期刊《Angewandte Chemie International Edition》


1. (a) P/Cu SAs@CNAC HAADF-STEM 图像;(b) P/Cu SAs@CNEDS元素分布图;(c) P/Cu SAs@CNCNC K-edge XAS谱图;(d) P/Cu SAs@CNCNN K-edge XAS谱图。

论文链接:https://doi.org/10.1002/anie.202210789