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摘要
在以H2O为质子源的光催化二氧化碳还原反应(CO2RR)过程中,光解H2O产氢气(H2)被认为是一个竞争反应.因此,光催化CO2RR过程需要抑制H2的产生,以提高碳氢产物的选择性和产率.以CO2和H2为反应物的逆水气变换反应(RWGS)是常见的CO2加氢反应,在较高的温度和催化剂作用下生成CO和H2O.目前,光催化CO2RR研究主要聚焦于产物的选择性,而有关光解H2O产生的还原性气体H2在光热效应的促进下成为CO2RR中新的质子源研究较少.光热催化是一种新的高效催化反应方式,在反应过程中需要光照和加热.光照能够促进半导体光生载流子的激发,热效应则能降低反应物分子的活化势垒,并能够促进中间产物的表面迁移以及生成物的脱附.利用光热催化热力学和动力学上的有利条件,为以H2O为质子源的光热催化CO2RR中RWGS反应提供了H2源以及所需的能量.本文合成了具有强电子转移能力、高热稳定性和化学稳定性的Pt纳米颗粒(NPs)负载在具有丰富氧空位(OVs)的SrTiO3-δ纳米片,形成金属-半导体相互作用的Pt-OVs-STO纳米复合催化剂,并利用该纳米复合催化剂系统地研究了以H2O为质子源的光热催化CO2RR的反应路径.结合X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、高角度环形暗场和明场球差校正扫描电子显微镜、电子顺磁共振和紫外可见吸收光谱等表征手段,研究了表面负载的Pt0NPs与SrTiO3-δ之间的相互作用.这种金属-半导体之间的强相互作用和独特的电子结构促进了复合半导体结构的光吸收能力,提升了光生载流子的分离以及对反应物分子的吸附.由H2O分解产生的H2能够有效地促进在Pt-OVs-STO纳米复合结构的双路径CO2还原反应:CO2直接质子化和RWGS反应.DFT理论计算结果表明,该纳米复合结构能够有效地促进半导体表面电荷转移和H2生成,并且降低RWGS反应和CO2质子化的反应势垒.综上,本文阐明了在H2O为质子源的光热催化CO2RR中Pt0/SrTiO3-δ纳米复合结构上光解H2O产生的H2和RWGS反应之间的关系,并为后续的CO2RR的研究提供了新视角.
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