太原理工大学张小超副教授、张长明副教授，CEJ：面向未来“碳中和“目标，毫米级活性炭球“亮剑“- 大数跨境

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太原理工大学张小超副教授、张长明副教授，CEJ：面向未来“碳中和“目标，毫米级活性炭球“亮剑“

科学材料站

2021-04-19

导读：本文报道了”第二代“原位氮掺杂毫米级活性炭球，负载高活性Bi4Ti3O12光催化剂，构筑了”强化学吸附-高活化还原“CO2的双功能复合材料。

文章信息

毫米级氮修饰活性炭球辅助Bi4Ti3O12构筑吸附/还原CO2双功能光催化剂

第一作者：张长明

通讯作者：张小超*

单位：太原理工大学

研究背景

促进二氧化碳（CO2）资源化绿色转化利用是当今全球化学工业领域的前瞻性、战略性和颠覆性课题之一。探索CO2减排、富集、转化的方法技术，促进绿色、低碳、循环的经济发展，这对缓解过度依赖传统能源和适应全球气候环境变化以及未来达到碳中和目标均具有重要的现实意义。

太阳能光驱动催化还原CO2减排转化模仿自然光合作用，本质上是理想清洁的可再生过程，但在实际应用或工业化生产中催化剂仍存在吸附活化CO2能力较弱的缺点。因此，“强化学吸附-高活化还原”CO2光催化剂体系构筑是推进CO2减排绿色转化的关键科学问题之一，仍是一个富有挑战性的重要课题。

文章简介

基于此，太原理工大学张小超副教授（通讯作者）和张长明副教授（第一作者）在“第一代“毫米级活性炭球工作基础上“Green Energy & Environment, https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.06.014”，报道了”第二代“原位氮掺杂毫米级活性炭球，负载高活性Bi4Ti3O12光催化剂，构筑了”强化学吸附-高活化还原“CO2的双功能复合材料。

CO2吸附曲线表明引入含氮活性炭球后，吸附量是单一催化剂的15倍，光电分析及表面光电压谱证明活性炭球作为电子受体，可有效抑制光生载流子重组，提高量子效率，通过原位红外表征详析还原CO2的中间产物。

该工作以“Millimeter-level nitrogen modifed activated carbon spheres assisted Bi4Ti3O12 composites for bifunctional adsorption/photoreduction of CO2”为题发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal（IF=10.652）上。

本文要点

要点一：引入炭球显著提高材料对CO2吸附量

通过悬浮聚合法原位合成氮修饰毫米级酚醛树脂活性炭球，孔径发育良好且相对较窄，含N官能团与酸性CO2之间的相互作用提供了碱性位点，在相似比表面积和孔容下，N-ACSs对CO2吸附量远大于ACSs。

尽管负载Bi4Ti3O12后堵塞载体部分孔隙，但Bi4Ti3O12/N-ACSs对CO2吸附能力仍比纯Bi4Ti3O12高近15倍，为催化剂活化还原CO2提供了较大比表面积支撑。

图1. N-ACSs(a), Bi4Ti3O12/N-ACSs(b)样品照片；Bi4Ti3O12/N-ACSs扫描电镜图像(c), 内部孔道结构扫描电镜图像；Bi4Ti3O12、ACSs、N-ACSs、Bi4Ti3O12/ACSs和Bi4Ti3O12/N-ACSs的N2吸附/脱附等温线(e)和在25℃，1 bar下的CO2吸附等温线(f)

要点二：活性炭球作为电子受体，有效抑制光生载流子的重组，提高量子效率

电荷转移能力分析表明，引入活性炭球表现出良好的光电响应能力和更低的界面电荷转移阻力以及光生载流子复合率；较低的SPV响应信号证实N-ACS类导体性可有效接受光生电子，在抑制载流子复合方面发挥关键性作用。

图2. Bi4Ti3O12、Bi4Ti3O12/ACSs和Bi4Ti3O12/N-ACSs的瞬态光电流响应(a)；电化学阻抗谱Nynquist图(b)；光致发光光谱(c)以及Bi4Ti3O12和Bi4Ti3O12/N-ACSs复合材料的SPV光谱(d)

要点三：Bi4Ti3O12/N@ACSs光还原CO2性能及中间产物分析

通过气相色谱（GC-7920）在线检测到还原产物为CO，并未检测到CH4或H2。模拟太阳光照射8 h后，与Bi4Ti3O12和Bi4Ti3O12/ACSs相比，Bi4Ti3O12/N@ACSs表现最佳还原性能（142.76 μmol/g），CO产量分别提高1.45倍和1.24倍，且三次循环后产量仍保持在96.8%，具有良好稳定性和重复利用性。

对反应过程进行原位红外监测发现，关键中间产物CO2-和HCO3-在1670和1453 cm-1处出现了两个新的峰，同时信号强度随时间增加，表明了CO2-和HCO3-是光催化CO2还原成CO的关键中间体。

图3. Bi4Ti3O12、Bi4Ti3O12/ACSs、Bi4Ti3O12/N-ACSs模拟太阳光8 h照射下CO产量(a)；Bi4Ti3O12/N-ACSs的循环测试(b)；Bi4Ti3O12在水相中还原CO2的原位红外光谱图(c)

文章链接

Millimeter-level nitrogen modified activated carbon spheres assisted Bi4Ti3O12 composites for bifunctional adsorption/photoreduction of CO2. Chemical Engineering Journal, 2021.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720343345

通讯作者介绍

张小超副教授。

2008年本科毕业于安阳工学院，2013年获太原理工大学工学博士学位。毕业后留校任教至今，2017年评聘为太原理工大学化学化工学院副教授。同年，以访问学者身份到加拿大西安大略大学进行了为期6个月交流学习(导师:祝京旭院士)。主要研究方向为高效光(电)催化材料的设计及研制、废油脂脱羧与CO2还原的反应特性及其产物绿色再利用、第一性原理研究等。目前，以第一或通讯作者身份在Appl. Catal. B: Environ., Fuel, Green Energy Environ., Chem. Eng. J., Energ. Fuel, J. Porous. Mater., Catal. Sci. Technol., Appl. Energ. Mater., Phys. Chem. Chem. Phys.等学术刊物上发表80余篇。

第一作者介绍

张长明副教授。

2014年于中科院山西煤炭化学研究所博士毕业，师从李开喜研究员，主要研究方向为高比表面积活性炭、沥青基球状活性炭及树脂基球状活性炭的制备及其在CO2捕获方面和模拟脱除油品中二苯并噻吩。2014年就职于太原理工大学并加入樊彩梅教授课题组，主要从事碳质功能材料的可控制备及高效吸附-光催化CO2还原应用研究，2019年评聘为太原理工大学矿业工程学院副教授。目前，以第一作者或通讯作者身份在Chem. Eng. J.，J. Mater. Sci., Ind. Eng. Chem. Res., Energ. Fuel, J. Porous. Mater., J. Electroanal. Chem.，Inorg. Chem. Commun.，RSC Adv.等学术刊物上发表多篇研究论文。