hepqiaoxy的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/hepqiaoxy

博文

综述论文:基于二氧化钛半导体的光催化二氧化碳还原制备燃料

已有 708 次阅读 2019-8-29 09:41 |系统分类:论文交流

原文信息

Photocatalytic reduction of carbon dioxide by titanium oxide-based semiconductors to produce fuels

Xi CHEN1, Fangming JIN1 2

作者单位

1. China-UK Low Carbon College, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 201306, China

2. School of Environmental Science and Engineering, State Key Laboratory of Metal Matrix Composites, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

原文链接:

https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11708-019-0628-9

http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-019-0628-9


     随着现代工业的迅速发展,二氧化碳等温室气体大量排放,引起全球气候变暖,对人类和其他生物的生存构成了严重威胁。由于频繁而不合理的人为活动,尤其是化石燃料的大规模燃烧,自然碳循环的原始平衡受到严重破坏。目前,大气中的二氧化碳水平在很大程度上偏离了其在过去几百万年中保持的合理值,并且达到了历史最高水平(大约410 ppm)。此外,按照目前的增长率,预计未来几年将出现更高浓度的新记录。为了应对气候变化,科学家们致力于以有效、可行的方式对二氧化碳进行捕获、储存和利用。实际上二氧化碳可以作为一种丰富且廉价易获取的C1平台资源用于生产各种化学品和燃料,包括甲酸(HCOOH)、甲醇(CHOH)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH)、乙烷(CH₆)等。以二氧化碳为原料的C1化学为增加社会能源供给及减少对石油的依赖指明了一个新的方向,有助于闭合碳循环,实现零净碳排放。然而,与CO转化成燃料有关的一个重要问题是:进行转化所需的能量输入可能部分或有时完全抵消所产生的燃料。因此,如果使用的能源来自不可再生的化石燃料,则必须通过各种方式使反应系统的能量消耗最小化。然而,为了最大限度地提高从二氧化碳生产燃料的效率,另一种选择是利用可再生能源来还原二氧化碳制备化学品和燃料。


       太阳能代表了一种清洁、可持续和丰富的能源。根据估算,充分利用每小时到达地球的太阳能总量大致可以满足年度全球能源消耗的需求。使用半导体光催化还原二氧化碳提供了一种可行且有前景的方式来利用太阳能并以化学燃料的形式储存。它类似于植物中的光合作用,将CO和水转化为碳水化合物,而在光催化还原中合理设计或改性的半导体被用作催化剂以加速反应速率,调节对不同产物的选择性并提高产率。自1979年首次应用以来,氧化钛(TiO)基材料已成为用于光催化二氧化碳还原的最广泛的半导体材料,主要是因为它含量丰富且无毒、廉价、稳定、耐光腐蚀。光催化还原CO2的原理如图1(b)所示。半导体的特征在于其带隙结构。在间隙上方是导带(CB),在间隙下方是价带(VB)。对于TiO材料,带隙通常约为3 eV,因此未处理的TiO主要在紫外线(UV)范围内吸收能量。在照射时,电子可以从VB激发到CB,并同时在VB中产生空穴。分离的电子和空穴(电荷载体)可以转移到表面并用作活性位点以分别还原或氧化吸附的反应物。因此,电子-空穴对的有效分离对于提高光催化效率是至关重要的。由于紫外线仅占太阳能全光谱的不到10%,而可见光占大约43%,因此科学家们已经探索了各种方法来制备可见光响应的二氧化钛材料,其中大部分通常可以同时改善电荷分离,增强CO吸附等。此外,抑制氢(H)从水中逸出也是催化剂设计的目标,以提高对CO还原的光催化选择性。通常,这些方法涉及两种主要策略:TiO的纳米结构工程和引入其他成分以改进催化体系。纳米结构工程通常侧重于改变晶格、晶相、形态等,其他成分的引入包括引入一种或多种金属/非金属元素,引入的成分通常称为助催化剂。此外,多组分杂化TiO复合材料也被广泛报道,以充分利用不同成分的协同作用。


4.jpg

图1 CO作为一种丰富且廉价易获取的C1平台资源的应用

(a) 利用二氧化碳生产化学品和燃料的建议;

(b) 光催化还原CO的示意图

       在这篇综述中,作者展示了过去几年使用TiO基半导体光催化还原CO的进展。论文阐述了以结构工程的方法调控和提升二氧化碳催化剂性能的相关工作,总结了通过添加第二/第三种外源元素合成催化剂来改善二氧化碳催化剂的活性和选择性的工作,最后介绍了基于二氧化碳的多元复合材料在二氧化碳催化还原中的应用。



ABSTRACT    To tackle the crisis of global warming, it is imperative to control and mitigate the atmospheric carbon dioxide level. Photocatalytic reduction of carbon dioxide into solar fuels furnishes a gratifying solution to utilize and reduce carbon dioxide emission and simultaneously generate renewable energy to sustain the societies. So far, titanium oxide-based semiconductors have been the most prevalent


KEYWORDS  photocatalysis;carbon dioxide reduction;semiconductors;titanium oxide;renewable fuels


作者简介

陈熙,上海交通大学中英国际低碳学院助理教授,博士毕业于新加坡国立大学。主要研究方向有:固体废弃物资源化利用;废弃生物质转化利用;功能性材料、碳材料合成;可降解绿色环保材料;纳米催化等。

详情:http://lcc.sjtu.edu.cn/Data/View/739


金放鸣,上海交通大学环境科学与工程学院特聘教授,日本东北大学客员教授。主要研究方向有:二氧化碳的资源化利用;生物质以及固废资源化利用;高浓度难降解工业废水的资源化利用;制氢以及光催化剂研究;源头污染控制绿色、环保新技术等。

详情:http://sese.sjtu.edu.cn/people/1609.html


Cite this article

Xi CHEN, Fangming JIN. Photocatalytic reduction of carbon dioxide by titanium oxide-based semiconductors to produce fuels. Front. Energy, 2019, 13(2): 207-220。




http://blog.sciencenet.cn/blog-1241458-1195699.html

上一篇:Special Column: Solar Energy Conversion
下一篇:综述论文:金属有机框架材料在光催化还原CO₂应用中的研究进展

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-12-10 13:25

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部