谭必恩、王靖宇提出多孔材料助力可见光催化二氧化碳转化新思路-华中科技大学新闻网

谭必恩、王靖宇提出多孔材料助力可见光催化二氧化碳转化新思路

发布时间：2019.02.22

来源：化学与化工学院 编辑：程亚楠 浏览次数：

新闻网讯（通讯员吴疆鄂）2月8日，《自然·通讯》（Nature Communications）杂志发表了化学与化工学院谭必恩教授、王靖宇副教授等研究团队的研究成果：《可见光驱动CO₂转化的多孔超交联聚合物-TiO₂-石墨烯复合光催化材料》（Porous hypercrosslinked polymer-TiO₂-graphene composite photocatalysts for visible-light-driven CO₂conversion）。化学与化工学院博士后王绍磊、2015级硕士生许民为论文并列第一作者，谭必恩、王靖宇是论文的共同通讯作者，华中科技大学是唯一通讯单位。论文作者还包括化学与化工学院的李涛教授、2014级博士生张承昕，武汉大学彭天右教授，巴基斯坦拉合尔管理科学大学Irshad Hussain教授。

社会高速发展加剧了化石能源的消耗和碳排放量，打破了自然界的碳循环平衡，大气中以CO₂为主的“温室气体”导致全球气候变暖，引起能源短缺和一系列环境灾害。如何稳定控制大气中CO₂浓度迅速成为各国能源和环境领域的研究热点，其转化和利用既能缓解温室效应，又将以碳资源的形式成为可用能源。CO₂是热力学十分稳定的化合物，要使其活化和转化需要输入很高电子形式的能量，也就是说，许多CO₂转化工艺都潜在耗能。太阳能光催化是CO₂转化和利用的新兴技术，借助可持续清洁能源太阳能，模拟自然界中的光合作用将CO₂还原转变成化学燃料，因而引起了大家越来越多的关注。在实际应用中，半导体光催化剂自身比表面积较低、缺少与CO₂吸附相匹配的孔隙导致催化剂CO₂吸附性能较弱，这极大限制了材料CO₂还原效率的提高。因此，为了使光催化剂达到更高的光还原CO₂活性，需要材料具有更高的CO₂吸附量和较短的吸附位点至催化位点扩散距离。

谭必恩与王靖宇提出多孔材料助力可见光催化二氧化碳转化的新思路，以常见的光催化材料TiO₂-石墨烯作为研究模型，在功能化石墨烯表面原位生长出一层厚度为3-8 nm的多孔超交联聚合物层（图1），所得多孔超交联聚合物-TiO₂-石墨烯（HCP-TiO₂-FG）新型光催化材料的比表面积高达988 m²g^-1，具有较高的CO₂吸附量和吸附位点至催化位点的较短扩散距离，从而有利于CO₂分子吸附并富集在聚合物网络内的TiO₂光催化剂表面以进行催化转化。此外，多孔超交联聚合物层具有宽光吸收范围促进复合材料的光吸收范围扩展至可见光范围。这些因素促使HCP-TiO₂-FG催化剂在没有金属助催化剂和牺牲剂存在下实现了气-固相体系高效催化CO₂还原，还原产物CH₄产率为27.62 μmol g^-1h^-1、CO的产率为21.63 μmol g^-1h^-1；催化剂消耗电子数为264 μmol g^-1h^-1，CH₄的电子选择性高达83.7%（图2）。该研究的光催化CO₂转化效率是近年来类似反应条件测试结果的最高值。