CO2RR再发Nature Energy！分子工程制备的片状光催化剂用于可扩展太阳能生产甲酸酯- 大数跨境

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CO2RR再发Nature Energy！分子工程制备的片状光催化剂用于可扩展太阳能生产甲酸酯

科学材料站

2020-08-28

导读：在本文，作者介绍一种将CO2和H2O转化为甲酸酯和O2的光催化剂片材，作为一种潜在的可扩展的CO2利用技术。

First published: August 24, 2020

第一作者：Qian Wang

通讯作者：Erwin Reisner*

单位：英国剑桥大学

研究背景

长期以来，人们一直在探索配位配合物来实现（电）化学CO2还原反应（CO2RR），并且在均相溶液中报道了高选择性和良好的耐久性。杂化系统在半导体表面使用固定化分子催化剂，这使得它们能够在一系列溶剂中进行包括水介质在内的有效的光催化。

归根结底，二氧化碳需要与丰富的能源（如水）的可持续氧化化学相结合，以满足全球能源需求。因此，作者特别致力于开发独立的混合光电化学（PEC）电池，这种电池还可以将二氧化碳与水氧化反应耦合。然而，由于PEC反应过程中pH梯度和IR下降，杂交PEC细胞存在放大问题。

文章简介

近日，英国剑桥大学Erwin Reisner教授课题组在国际顶级期刊Nature Energy上发表题为“Molecularly engineered photocatalyst sheet for scalable solar formate production from carbon dioxide and water”的研究工作。

在本文，作者介绍一种将CO2和H2O转化为甲酸酯和O2的光催化剂片材，作为一种潜在的可扩展的CO2利用技术。该技术将镧和铑掺杂的SrTiO3（SrTiO3：La，Rh）和钼掺杂的BiVO4（BiVO4：Mo）光吸收剂整合在一起，这些吸收剂由膦酸化的Co（II）双（吡啶）催化剂和RuO2催化剂改性而成。

该单片器件提供了0.08±0.01％的太阳能转化率，甲酸的选择性为97±3％。由于该设备以无线方式运行并使用水作为电子供体，因此它提供了使用基于分子的混合光催化剂实现可扩展且可持续的CO2减少的通用策略。

该文章第一作者为剑桥大学Qian Wang

英国剑桥大学Erwin Reisner教授为本文通讯作者

要点解析

要点一：负载CotpyP的SrTiO3：La，Rh | Au | RuO2-BiVO4：Mo光催化剂片材。

图1.

a，能量图，描绘了光合作用CO2RR与水的氧化作用。给出了相对于pH 6.7的NHE的还原电位。

b，通过颗粒转移法制备的负载CotpyP的6 cm×5.7 cm的SrTiO3：La，Rh | Au | RuO2-BiVO4：Mo光催化剂片的照片。

c–h，俯视图：SEM-EDX元素映射图像，显示了锶（d），铋（e），钴（f），钌（g）和金（h）的分布的叠加。

要点二：负载CotpyP的SrTiO3：La，Rh | Au | RuO2-BiVO4：Mo片的光合作用在AM 1.5 G辐照下耦合CO2RR与水氧化。

图2.

a，在负载CotpyP的SrTiO3：La，Rh | Au | RuO2-BiVO4：Mo薄板（〜1 cm2）上产生光合作用HCOO-，O2，H2和CO的典型时间过程。

b，使用12CO2 / H12CO3-（橙色线）和13CO2 / H13CO3-（绿色线）作为反应物辐照6'h后，溶液的1H NMR光谱（D2O，500 MHz）。

c，AQY对薄片上HCOO-产生的依赖性与入射光波长的关系，以及SrTiO3：La，Rh（绿线）和BiVO4：Mo（橙线）的漫反射光谱进行比较。蓝点表示系统在各种入射光波长下的AQY。误差线表示入射波长，其全宽为最大值的一半，为15nm。F（R），Kubelka-Munk函数。反应在室温（298 K）的CO2气氛（1 atm）下，在充满CO2的KHCO3水溶液（0.1 M，pH 6.7）中进行。

要点三：| 负载CotpyP的SrTiO3：La，Rh | Au | RuO2-BiVO4：Mo光催化剂片材的活性辐照面积约为20 cm2，用于光合作用CO2RR和水氧化。

图3.

a，用模拟阳光（AM 1.5 G，100 mW cm-2）照射的薄片照片。

b，光合作用的CO2RR和纸张上的水氧化的时间过程。虚线是眼睛的指南。反应在室温（298 K）下，在CO2饱和的0.1 M KHCO3水溶液（180 ml，pH 6.7）中进行。

结论

作者报道了一种混合原型光催化剂片材，该片材执行光合作用CO2RR形成HCOO‒，使用水作为电子供体，其选择性为97±3％，STF为0.08±0.01％。由于固定化的无贵金属分子催化剂对CO2RR的高选择性以及半导体的水氧化能力和光收集能力的结合，可以实现此性能。

当前的无线和独立设备将光作为唯一能源将甲酸生产与水氧化结合在一起，这在无线CO2转换领域非常罕见，它在光合作用反应中无需牺牲试剂即可显示出高稳定性，并具有可扩展性与光催化活性。该发现克服了在光催化CO2 RR结构中需要牺牲试剂的杂化光催化剂的障碍，并为研究通过其他光催化剂在这种Z-方案光催化剂片结构中通过人工光合作用生产太阳能的其他分子催化剂提供了动力。尽管这里作者专注于甲酸（一种有前途的燃料和H2载体）的生产，但是将分子催化剂固定在光催化剂板上的组装过程的简单性使得将来可以探索用于各种光合作用和产物的各种催化剂。

文章链接:

Molecularly engineered photocatalyst sheet for scalable solar formate production from carbon dioxide and water

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0678-6

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导师简介:

Erwin Reisner 教授

　Erwin Reisner博士现为剑桥大学教授、英国太阳能燃料联盟主任，一直致力于面向太阳能燃料光催化材料系统的构建，专长于材料化学、无机化学、光化学等领域的交叉研究，特别是近年来在无机半导体吸光材料与分子、团簇、纳米催化剂的耦合方面取得了一系列高水平的研究成果，代表性进展如下：构建了高效太阳能驱动光催化产氢CdS/CdOx光催化剂（Nature Energy 2017）；具有高选择性光催化还原CO2的分子Ni催化剂修饰的CdS光催化材料体系（J Am Chem Soc 2017）；构建了分子催化剂负载的中孔TiO2修饰的p型Si光阴极，实现了高效分解水产氢（Angew Chem Int Ed 2017）；发展了一种通过石墨化和氮掺杂相结合提高碳量子点光催化活性的新方法（Angew Chem Int Ed 2017）；发现氮化碳具有显著的延时光催化产氢特性（Angew Chem Int Ed 2017）；报道了首例有机-无机杂化的钙钛矿光阴极，实现了较稳定的光催化产氢活性（Nature Commun 2016）；基于碳量子点的捕光功能构建了可见光光催化材料体系（J Am Chem Soc 2016）；构建了碳量子点-分子助催化剂耦合光催化剂体系（Angew Chem Int Ed 2016）；制备出新型TiO2保护的Si基光电极（Angew Chem Int Ed 2016）；发展了具有多功能特性可提高光电极性能的涂层（Adv Energy Mater 2015）。Reisner教授在Nature Energy、Nature Commun、Angew Chem Int Ed、J Am Chem Soc、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater等期刊发表论文96篇，其中70篇是任剑桥PI以来以通讯作者发表，论文被引用超过4200次，H因子38。获得各类学术奖项、荣誉十余项。。