双功能S-型g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂驱动人工碳循环

• 作者: 何婉楣 刘升卫 张金锋 李传浩 王保强 谢权
• 来源期刊: 催化学报
• 关键词: S型 等离子体Bi纳米颗粒 光催化CO2还原 光催化降解有机污染物 碳循环
• 年，卷（期）: 2020,（1）
• 所属期刊栏目: 论文（光催化CO2 还原）
• 页码范围: 140-153
• 页数: 14页
• 字数: 1678字
• 语种: 中文
• DOI: S1872-2067(19)63481-9

摘要

长期以来, 陆地、大气和海洋之间的碳循环维持了大自然碳平衡. 随着密集人类活动和高度工业发展, 碳燃料、碳化学品和碳材料广泛应用于各个领域, 导致碳排放过量, 碳平衡已被严重破坏, 碳污染已成为一个严峻问题. 例如, 持久性有机污染物和挥发性有机化合物过量排放到环境中, 威胁着人类的健康和生态平衡. 人们陆续开发出各种先进的环境技术,如微生物分解, 去除空气和水中的碳基污染物, 将有毒有害的有机化合物转化为无害CO2. 但是, CO2本身是大气中的主要温室气体, 它在大气中的浓度早超过了天然碳循环所能维持的环境自洁净能力. 基于先进催化技术建立人工碳循环, 将有机污染物矿化生成的CO2进一步转化为有价值的有机化学品(如太阳能燃料)是一种理想的低碳方法. 光合作用是自然碳循环中核心过程之一, 是降低大气中CO2浓度的关键. 受到光合作用启发, 科学家们积极开发人工光合成技术推动CO2资源化. 人工光合成技术本质上基于半导体光催化过程. 半导体光催化过程具有双重作用. 一方面, 基于有氧光催化氧化过程,有机污染物可以矿化生成无毒CO2. 另一方面, 基于缺氧光催化还原过程, CO2可以转化为碳氢化合物太阳能燃料. 理论上,结合上述两个过程, 为建立人工碳循环奠定基础, 但是, 至今很少有人成功建立有氧氧化-无氧还原串联光催化工艺, 实现人工碳循环. 难点在于有机污染物的有氧氧化反应和CO2的无氧还原反应的操作条件与反应机制是完全不同的, 目前缺乏同时适用于上述两种反应的双功能光催化剂. 本文成功构建了具有双功能的g-C3N4/Bi/BiVO4三元复合光催化剂, 它不仅在降解有机污染物方面表现出优异的有氧光催化氧化性能(以降解染料罗丹明B为例), 而且还表现出优异的缺氧CO2光催化还原性能. 此外, 基于"一锅法"厌氧耦合氧化-还原反应, g-C3N4/Bi/BiVO4三元复合光催化剂成功实现同步罗丹明B降解与太阳能燃料生成, 构建了从毒害有机污染物到高品质太阳燃料的碳循环. 结合牺牲剂实验分析与密度泛函理论理论计算, 作者提出g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂的双功能性与g-C3N4与BiVO4界面内建S-型复合异质结有关. S-型复合异质结既促进界面电荷转移与分离, 又维持了最佳电荷氧化还原电位. 此外, S型g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂中原位生成的具有等离子体效应的Bi纳米颗粒具有双重作用, 既促进界面电荷定向转移, 又促进可见光吸收. 本文开发的新型双功能S-型g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂系统为进一步开发集成式有氧-缺氧光催化碳循环反应系统奠定基础.