王晶晶：纳米结构金属硫化物的分类、改性以及光催化CO2还原应用 【AFM, 2021】

发布时间：2021-12-27       阅读：5次

CO₂温室气体排放所引发的剧烈的全球气候变化和能源危机迫切需要采取有效措施。绿色、可持续的光催化CO₂还原作为“人工光合作用”技术，可以将CO₂气体转化为高附加值碳氢燃料及工业化学品（如CH₄、CO、CH₃CHO等），因此在绿色低碳生活和碳中和的未来发展中展现出巨大的应用前景。金属硫化物半导体光催化剂由于合适的能带结构、宽的光响应范围和较快的载流子迁移动力学，使其在光催化CO₂还原领域广受关注。然而目前为止尚缺乏对金属硫化物的本征特性和改性策略对CO₂还原过程的内在影响机制研究进展的系统总结和深入理解。

针对上述问题，我校材料科学与工程学院博士生王晶晶在“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队黄洪伟教授和张以河教授指导下，综述了近年来的相关研究，系统地总结了二元、三元和四元金属硫化物的晶体结构、光吸收性能、电子结构特性以及多种改性策略对光子吸收能力、光生载流子的迁移动力学、CO₂分子的吸附和活化以及光催化CO₂还原性能的影响机制：

1. 半导体的光催化CO₂还原过程中CO₂分子的吸附、活化和最终反应产物的解吸对整个光催化CO₂转化过程发挥重要作用。然而，光催化还原CO₂反应面临着热力学和动力学缓慢的双重挑战。

2. 光催化CO₂还原反应过程包括多种中间活性物种和多种还原产物。不同的CO₂还原过程取决于CO₂分子与光催化剂表面的多步反应路径和吸附模式。甲醛途径(快速加氢途径)和卡宾途径(快速脱氧途径) 两种可能的CO₂还原途径被普遍接受。

3. 光催化CO₂还原的产物选择性可通过对半导体催化剂表面暴露的位点设计和中间体的精准调控来实现。

4. 丰富的金属硫化物催化剂展现出光催化CO₂还原应用潜力，为进一步设计高活性和高选择性催化剂，丰富的改性策略可实现对金属硫化物的光吸收、载流子的行为动力学以及CO₂还原性能的有效增强。

本文着重对不同组成的金属硫化物半导体催化剂的晶体特征、光吸收能力、电子能带结构以及光催化CO₂还原应用的最新研究进展，讨论了不同改性策略对光吸收、电荷分离、CO₂吸附和活化以及产物选择性的增强机制。虽然金属硫化物在光催化还原CO₂领域展现出巨大的潜力，但仍存在一些科学问题和挑战需要在未来的研究中解决。

图1 光催化CO₂还原过程示意图

图2 反应路径和选择性调控示意图：(a)单金属位点和(b)双金属位点催化体系实现CO₂光还原为CH₄和CO等

图3 典型金属硫化物半导体的能带结构示意图

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上：Jingjing Wang, Sen Lin, Na Tian, Tianyi Ma, Yihe Zhang, and Hongwei Huang*. Nanostructured Metal Sulfides: Classification, Modification Strategy, and Solar-Driven CO₂ Reduction Application Adv. Funct. Mater., 2021, 31(9), 2008008. [IF2020=18.808]

全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202008008