MgO和Au纳米颗粒共修饰g-C3N4光催化剂增强CO2-H2O光催化反应过程(英文)

作者：李乃旭; 黄美优; 周建成^*; 刘茂昌^*; 敬登伟^*

来源：Chinese Journal of Catalysis, 2021, 42(05): 781-794.

• CO2光还原
• MgO
• Au
• g-C3N4
• 光催化
• 协同效应
• 助催化剂

光催化CO2还原制备太阳燃料被广泛关注并逐渐形成研究热点,该过程利用可再生清洁能源太阳能,在低温低压的温和条件下驱动CO2还原制备CO、CH4、CH3OH等燃料气体或者高附加值的碳氢化合物.半导体光催化剂能够将清洁的太阳能有效地转化为化学能,其中,g-C3N4由于其成本低、毒性低、稳定性高和带隙窄等优点,被广泛应用于光催化领域.然而,纯g-C3N4具有光利用效率低和光生电子-空穴复合率高的缺点,导致光催化活性相对较低.因此,需要对g-C3N4进行修饰改性来提高其光催化性能.一方面,MgO具有强大的CO2吸附能力,可用于修饰半导体以提高光催化还原CO2的反应活性.另一方面,助催化剂尤其是贵金属,不仅能够捕获电子以提高光生电子-空穴对的分离效率,而且还能提供反应的活性位点.本文通过沉淀和煅烧法制备了不同复合量的MgO-g-C3N4催化剂,同时负载贵金属Au作为助催化剂,用于光催化CO2和H2O反应,考察MgO含量和不同贵金属助催化剂对光催化活性的影响.发现Au和3%MgO共改性的g-C3N4光催化剂上表现出最佳的光催化性能,3 h后CO,CH4,CH3OH和CH3CHO的产量分别高达423.9、83.2、47.2和130.4μmol/g.本文分别研究了MgO和贵金属Au作为助催化剂对光催化行为的影响.XPS结果表明,Au/MgO-g-C3N4纳米片中形成了Mg-N键;UV-vis漫反射光谱表明Au/MgO-g-C3N4复合催化剂能够大大地增强紫外和可见光的吸收,且Au纳米颗粒具有表示等离子体共振(SPR)效应;PL光谱、TRPL光谱和光电化学测试都显示了MgO和Au的加入可以有效地提高光生电荷载流子的分离效率,这是由于Mg-N键的存在以及Au纳米颗粒对电子的捕获作用.CO2吸附曲线证明了MgO的存在能够增强对CO2的吸附;CO2-TPD测试则表明CO2的有效吸附主要发生在MgO和Au纳米颗粒的界面处,而该界面正是光生电子和活化吸附后的CO2反应的活性位点.值得注意的是,在Au/3%MgO-g-C3N4三元催化剂上CO的产量是纯g-C3N4的29倍.实验和表征结果均表明,MgO和Au的共修饰显著提高了纯g-C3N4的光催化活性,这是由于三元光催化剂各组分之间的协同作用所致.助催化剂MgO可以激活CO2(吸附在MgO和Au颗粒之间的界面),并且MgO-g-C3N4纳米片中形成的Mg-N键在电荷转移中起着重要作用.同时,Au颗粒修饰的MgO-g-C3N4可以通过SPR效应增加可见光的吸收,并进一步降低H2O对CO2的光还原活化能;且Au纳米颗粒能够捕获电子,从而促进光生载流子的分离.本研究通过MgO和Au纳米颗粒共修饰的方法改性传统的光催化剂,具有光催化还原CO2的应用前景.

• 单位
  中国林业科学研究院林产化学工业研究所; 江苏省生物质能源与材料重点实验室; 动力工程多相流国家重点实验室; 西安交通大学; 西安交通大学苏州研究院