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JMCA综述：应用于CO2还原的氧化钨基光催化剂的类别和作用

科学材料站

2021-09-12

导读：该综述总结了近年来氧化钨相关光催化剂在CO2还原方面的应用，并归纳了常用的调控策略，讨论了不同种类氧化钨基催化剂在光还原CO2中的角色作用。

文章信息

应用于CO2还原的氧化钨基光催化剂的类别和作用

第一作者：杨戈

通讯作者：程刚*，熊金艳*，李维杰*，韦岳长*

单位：武汉工程大学，武汉纺织大学，伍伦贡大学，中国石油大学（北京）

研究背景

化石燃料过度使用产生的CO2温室气体对环境产生日益严重的影响，开发绿色、经济及高效的CO2具有重要意义。光催化还原CO2被认为是一种极具前景的转化手段。

近年来氧化钨基光催化材料因其合适的导带价带位置及廉价易得的特性而在光催化还原CO2领域备受关注。而且，在构筑稳定高效的氧化钨基光催化还原CO2体系方面取得了一定的进展。

通过对氧化钨光催化材料的晶相、晶面、结构、表面缺陷和界面调控可以从对太阳光的利用率、活性位点的构筑以及光生电子-空穴分离效率等方面对其催化性能进行优化。

文章简介

本文中，来自武汉工程大学的程刚博士，武汉纺织大学的熊金艳博士，伍伦贡大学的李维杰博士及中国石油大学（北京）的韦岳长教授，在Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Engineered tungsten oxide-based photocatalysts for CO2 reduction: Categories and roles”的综述文章。

该综述总结了近年来氧化钨相关光催化剂在CO2还原方面的应用，并归纳了常用的调控策略，讨论了不同种类氧化钨基催化剂在光还原CO2中的角色作用。本文为未来氧化钨相关光催化剂的合成及其在CO2还原方面的研究及应用提供一定的参考作用。

图1. 氧化钨基光催化剂在CO2还原中的类别和作用

文章要点

要点一：WO3基光催化剂用于CO2还原

WO3常见以单斜晶、立方晶、正交晶、六方晶等晶相存在，并且包含{001}、{110}、{002}等不同晶面，在水热法中通过控制温度及溶剂条件能够制备{110}、{001}、{002}等不同晶面的WO3。研究发现{002}及{110}晶面表现出更高的活性。

WO3晶相对催化性能同样具有影响，如利用电化学溶解钨电极制备出单晶WO3，通过水热及退火的方法制备出拟立方晶WO3，催化性能具有显著差异。不同结构的WO3同样表现出差异，如通过水热法并控制不同形貌调控剂用量制备出线状及片状WO3，线状WO3表现出更高的还原活性。

金属负载及异质结的构筑通常能够有效提升光催化性能，如通过光沉积法制备Pd@WO3，Pd对于光催化CO2性能具有显著提升。利用水热法制备CuO-WO3 p-n异质结光催化剂、利用凝胶溶胶法再通过水热及退火制备WO3-TiO2/Cu2ZnSnS4双Z型异质结光催化剂等，这些均能够有效降低光生电子空穴对的复合速率，从而提升催化活性。此外，利用模板通过水热并退火能够制备包含氧空位的介孔WO3，其中氧空位的引入极大改善催化性能。

要点二：W18O49基光催化剂用于CO2还原

W18O49是一种非化学计量比及存在氧空位的氧化钨，氧空位的存在使得其电荷分布与WO3相比有明显的差异，在CO2光催化领域中，氧空位的存在可能提供足够的还原位点，有效提升对CO2分子的吸附能力，但作为单组分光催化剂，光激发产生的光生电子空穴对仍然容易复合。

目前对W18O49常见的调控手段是金属负载及构造异质结。金属的负载能够使得光生电子具备较好的分离效率，从而改善催化性能，如通过溶剂热法制备Cu-W18O48，通过溶剂热及退火实现单原子Co负载的Co-W18O49复合材料等；采用溶剂热法构筑Cu2O-W18O49 Ⅱ型异质结光催化剂以及TiO2-x/W18O49复合材料等，使得光生电子空穴复合率下降，提升催化性能。

要点三：WO3·0.33H2O基光催化剂用于CO2还原

WO3·0.33H2O是水合氧化钨的一种晶相，当前在光催化还原CO2领域研究较少。

目前对WO3·0.33H2O的改性主要是通过水热引入氧空位或水热制备金属负载的WO3·0.33H2O，如水热制备出富含表面氧空位的WO3·0.33H2O纳米管，WO3·0.33H2O中氧空位的存在能够提升C2产物的选择性。

采用水热制备出Mo掺杂的WO3·0.33H2O纳米棒，通过金属离子掺杂能够调节WO3·0.33H2O的电子结构，对光催化性能具有明显的改善。

要点四：展望

当前对氧化钨在光催化CO2领域方面的研究仍然具有局限性，对晶相、晶面、结构、缺陷及界面等调控手段的潜在机理研究仍然有限，这也是未来研究的方向。

同时，除了WO3以外，其它类别的氧化钨如W18O49及WO3·0.33H2O等研究相对较少，对这类氧化钨应给予适当的关注。同时，近年来具有独特电子结构和不饱和配位环境的单原子催化剂受到广泛的关注，将具有均一活性位点、超高反应活性和原子利用率等优点的单原子引入钨氧化物催化剂具有重要的研究意义。

此外，氧化钨具备的光学及电学性质使得其在电化学方面具有一些应用，引入热催化或者电催化组成的光热/光电催化体系在高效催化CO2过程中的光电或光热协同效应也值得进一步研究。

文章链接

Engineered tungsten oxide-based photocatalysts for CO2 reduction: Categories and roles

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta04969k

通讯作者简介

程刚.

2014年毕业于韩国全北大学半导体与化学工程学院，获得工学博士学位之后进入武汉工程大学化学与环境工程学院工作，主要从事纳米催化功能材料的制备与应用研究，聚焦于太阳能制氢和还原CO2 的光催化材料。

熊金艳.

2016年毕业于澳大利亚伍伦贡大学。目前从事功能材料的制备及其在能源与环境中的应用研究，主要集中于高效光催化剂的设计和制备、构效关系以及催化机理研究。

李维杰.

2016年毕业于澳大利亚伍伦贡大学。目前是伍伦贡大学超导与电子材料研究所（ISEM）的研究员。研究方向是用于储能（碱性离子电池和水系电池）和转换（光催化剂、电催化剂）的纳米结构和纳米复合材料。

韦岳长.

2012年获得中国石油大学（北京）化学工程与技术专业博士学位，现任中国石油大学（北京）重油加工国家重点实验室教授。长期致力于机动车尾气排放炭烟颗粒物净化和光催化CO2还原催化剂的研发及其催化机理研究。截止目前，在Energy Environ. Sci., Angew. Chem., J. Am. Chem. Soc., Appl. Catal. B, EST, ACS Catal., J. Catal.等期刊上发表SCI收录论文140余篇，研究成果他引4900余次，H因子46。

第一作者简介

杨戈

2018年获得周口师范学院化学工程专业学士学位，现为武汉工程大学无机化学专业硕士研究生，其研究方向为光催化CO2还原用复合材料。