中山大学刘升卫课题组ACB：光催化CO2还原：钨掺杂高结晶氮化碳，多功能活性中心- 大数跨境

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中山大学刘升卫课题组ACB：光催化CO2还原：钨掺杂高结晶氮化碳，多功能活性中心

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2021-12-17

导读：该论文通过简单的溶剂热辅助钨掺杂方法，制备W6+掺杂的高结晶氮化碳（CCN-W），引入W-N6基团作为活性中心

文章信息

第一作者：梁玉洁

通讯作者：刘升卫

单位：中山大学环境科学与工程学院

研究背景

人工光合成技术利用太阳能将温室气体CO₂光催化还原转化为碳氢化合物等太阳燃料，是实现低碳减排和碳资源循环利用的理想途径。先进光催化剂的开发是发展高效人工光合成技术的关键。

石墨相氮化碳（g-C₃N₄），具有二维层状结构，能带结构合适，可见光响应，稳定性较好、成本较低等特点，是最有发展前景的非金属光催化剂，备受关注。早期，科学家主要采用热缩聚方法合成出传统块状g-C₃N₄（BCN），其结晶度低，缺陷多，光生载流子复合较快，限制了其应用。

近年来，g-C₃N₄制备方法不断进步，在制备高结晶氮化碳（CCN）方面有重要进展，其中通过熔盐法制备的CCN纳米棒，电荷分离能力大大增强。同时，其光吸收能力与CO2吸附能力也有很大的提升。

但是，CCN纳米棒光催化CO2还原性能仍然不尽如人意，效率低且还原产物单一，主要为CO，这主要归因于其表面活性位点难以同时满足光电子定向富集，CO₂分子吸附活化，以及催化反应路径调控等多方面要求。

文章简介

基于此，来自中山大学的刘升卫教授课题组在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Recovering solar fuels from photocatalytic CO2 reduction over W⁶⁺-incorporated crystalline g-C3N4 nanorods by synergetic modulation of active centers”的研究论文。

该论文通过简单的溶剂热辅助钨掺杂方法，制备W6+掺杂的高结晶氮化碳（CCN-W），引入W-N6基团作为活性中心，同时促进光电子及CO₂分子的靶向富集，降低CO2还原反应势垒，稳定CO中间产物，显著改善了光催化CO2还原效率和选择性：全光谱CO₂还原效率（11.91 μmolg^-1h^-1），提高了>5倍，并且，高附加值产物（CH4和C2H4碳氢化合物）的光电子选择性接近83%，增加了>2倍。

图1. CCN-W光催化还原CO2的路径

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本文要点

要点1：

通过一步溶剂热法，以CCN为前驱体，W(CO)₆为W⁶⁺源，合成了CCN-W纳米棒，在其相邻七嗪单元的空腔位点引人W-N₆。

要点2：

W-N₆活性中心既促进了光生电子的靶向传递、捕获与富集；又调节了CO₂分子的活性吸附，两者的空间匹配，增加光电子/CO₂分子碰撞几率；同时，W-N₆助催化能力，降低CO₂还原半反应的势垒；三方面协同作用，显著提升了CO₂还原转化效率，达到11.91 μmolg^-1h^-1。

要点3：

W-N₆也是CO的活性吸附中心，W-N₆富集的光电子促进*CO中间体的进一步活化加氢还原，促使多电子碳氢产物（CH₄和C₂H₄）的光电子选择性高达83%。

文章链接

“Recovering solar fuels from photocatalytic CO₂ reduction over W⁶⁺-incorporated crystalline g-C₃N₄ nanorods by synergetic modulation of active centers”

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321011036#!

通讯作者简介

刘升卫教授博导

中山大学环境科学与工程学院教授、博士生导师。致力于太阳能催化材料与低碳技术领域的应用基础研究，研究成果在J. Am. Chem. Soc., Appl. Catal. B, Environ. Sci. Technol., Water Res.等顶级学术期刊共发表80余篇SCI论文，个人H因子为44，论文合计SCI引用9000余篇次；获得国家自然科学二等奖，湖北省自然科学一等奖，“广东特支计划”科技创新青年拔尖人才, 全国“太阳能光化学和光催化研究领域优秀青年奖”等科技奖励。

感谢国家自然科学基金（51572209，51872341），广东省“特支计划”科技创新青年拔尖人才项目(2019TQ05L196)，中央高校基本科研业务费（19lgzd29），广东省科技计划项目(2020A0505100033)，广东省自然科学基金（2021A1515010147）的资助。