鲁统部&张志明教授团队SMALL：构建低成本Z型Cu2O/PCN异质结用于纯水中CO2光还原高选择性制甲醇- 大数跨境

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鲁统部&张志明教授团队SMALL：构建低成本Z型Cu2O/PCN异质结用于纯水中CO2光还原高选择性制甲醇

科学材料站

2021-10-08

导读：本文报道了一种简易与易于大规模制备的合成方法，合成低成本的Z型Cu2O/PCN异质结光催化剂，在无需任何有机牺牲试剂的情况下实现高选择性光还原CO2为CH3OH

文章信息

构建低成本Z型Cu2O/PCN异质结用于纯水中CO2光还原高选择性制甲醇

第一作者：田志远，孔丽辉

通讯作者：王红娟*，姚爽*，张志明*

单位：天津理工大学

研究背景

人工光合作用将 CO2 转化为醇是一种有前景的，提供可持续燃料的途径，是实现碳中和、碳达峰的理想策略之一。廉价易得的H2O作为电子和质子给体可以大幅降低甲醇的生产成本，然而，纯水中高选择性地还原CO2制备液体燃料方面依然存在诸多挑战。

在这一领域，人们致力于探索半导体光催化材料驱动CO2光还原，但大多数半导体光催化材料在紫外光照射或存在牺牲剂的情况下才能驱动CO2还原。

到目前为止，廉价的光催化剂用于纯水中可见光驱动的CO2还原很少实现。富含地球丰产元素的半导体Cu2O由于其合适的带隙，在可见光照射下显示出巨大的CO2还原潜力。

然而，光生载流子较低的分离效率和严重的光腐蚀限制了其在光能转换体系中的实际应用。构建Cu2O基异质结构将有利于加速光生电子/空穴分离，促进电子传输，提高光催化活性和光化学稳定性。然而，这些异质结构合成复杂，在光催化过程中通常产生气体产物，并且生成效率远远不能令人满意。

在该工作中，我们设计并制备了一种易于大规模制备，低成本的Z型Cu2O/PCN异质结光催化剂，在无需任何有机牺牲试剂的情况下实现高选择性光还原CO2为CH3OH。

文章简介

在这里，天津理工大学鲁统部教授与张志明教授团队，在国际知名期刊Small上发表题为“Construction of Low-Cost Z-Scheme Heterostructure Cu2O/PCN for Highly Selective CO2 Photoreduction to Methanol with Water Oxidation”的论文。

本文报道了一种简易与易于大规模制备的合成方法，合成低成本的Z型Cu2O/PCN异质结光催化剂，在无需任何有机牺牲试剂的情况下实现高选择性光还原CO2为CH3OH。这种简易的光催化剂合成过程可以很容易地放大，是催化剂工业化应用的一个关键步骤。

文章要点

要点一：大规模、低成本制备Z型Cu2O/PCN异质结

在室温下，纯水中在PCN上原位生长Cu2O空心纳米晶，构筑了低成本的Z型Cu2O/PCN异质结。这种简易的光催化剂合成过程可以很容易地放大，从30mg制备产率可以轻易的放大到实验室最大制备产量670mg，并且保持相似的光催化性能。并运用SEM，HRTEM，PXRD以及XPS等表征技术对Cu2O/PCN形貌、组成与Z-型电流传输过程进行了系统的表征。

图2. (A) Cu2O/PCN扫描电镜图。(B) Cu2O/PCN的高倍透射电镜图。(C) Cu2O/PCN的元素分布图。

要点二：Cu2O/PCN Z型异质结展现出优异的光还原CO2制甲醇性能

通过光催化表明Cu2O/PCN-2异质结光催化剂展现出最优异CO2光还原的性能，光照8 h，甲醇产率高达276 µmo/g，远高于单独的Cu2O（86 µmol/g）和PCN（69 µmol/g）催化剂光催化性能，并且该性能优于大多数Cu2O基异质材料在纯水中的性能。

此外，该光催化剂也展现了很好的稳定性，5次循环实验后，其催化活性并没有明显降低。系统研究表明PCN保护层和Z型异质结构使得Cu2O/PCN稳定性得到极大提高，能有效抑制光生电子空穴复合，具有较高的氧化还原电位，能在纯水中高效驱动CO2光还原与水氧化反应。密度泛函理论（DFT）进一步证实这一结论。

图2. (A) Cu2O/PCN-2，Cu2O，PCN用于CO2光还原生成CH3OH。(B)不同光催化剂光还原CO2生成CH3OH的产率(4h)。(C) 13CO2同位素示踪实验。(D)循环实验结果。

图3. (A) Cu2O/PCN，Cu2O的XPS图谱。(B) 在光照下Cu2O/PCN的XPS图谱。(C) Z型Cu2O/PCN异质结构的形成与机理示意图。

要点三：理论计算与前瞻

进一步密度泛函理论发现CH3OH是比CO和HCOOH更有利的CO2还原产物，进一步验证了实验结果。这项工作探索了一种简易制备以批量方法，通过在PCN上原位生长Cu2O中空纳米晶合成低成本的Z型Cu2O/PCN异质结光催化剂，在无需任何有机牺牲试剂的情况下实现高选择性光还原CO2为CH3OH，实现了人工模拟光合作用。

该简易合成过程可以很容易地放大制备光催化剂，这是催化剂工业化应用的一个关键步骤。该策略对指导设计与制备低成本的Z型异质结光催化剂具有重要的科学意义。