催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (10): 2500-2529.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)64045-7

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二氧化钛基光催化剂用于二氧化碳还原和太阳燃料的生产

张涛a,, 韩晓驰a,, Nhat Truong Nguyenb, 杨磊a, 周雪梅a,*()   

  1. a四川大学化学工程学院, 四川成都 610065, 中国
    b加拿大康考迪亚大学, 吉娜科迪工程和计算机科学学院, 化学与材料工程系, 蒙特利尔, 加拿大
  • 收稿日期:2022-01-10 接受日期:2022-03-03 出版日期:2022-10-18 发布日期:2022-09-30
  • 通讯作者: 周雪梅
  • 作者简介:共同第一作者.
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22108179)

TiO2-based photocatalysts for CO2 reduction and solar fuel generation

Tao Zhanga,, Xiaochi Hana,, Nhat Truong Nguyenb, Lei Yanga, Xuemei Zhoua,*()   

  1. aSchool of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China
    bDepartment of Chemical and Materials Engineering, Gina Cody School of Engineering and Computer Science, Concordia University, Montreal, QC H3G 2W1, Canada
  • Received:2022-01-10 Accepted:2022-03-03 Online:2022-10-18 Published:2022-09-30
  • Contact: Xuemei Zhou
  • About author:Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22108179)

摘要:

化石燃料的过度开发和利用加剧了大气中二氧化碳的排放, 是导致全球气候变化严重和生态碳平衡破坏的因素之一. 利用可持续太阳能驱动的光催化技术可以将二氧化碳转化为一系列高附加值化学品, 如甲烷、甲酸、甲醛和甲醇等燃料, 因此被认为是解决能源危机和全球变暖的有效途径之一. 迄今为止, 在被开发利用的光催化剂中, 二氧化钛作为一种经济廉价、无毒、稳定和可持续的金属氧化物, 是多相光催化二氧化碳还原体系的研究重点.

本文重点综述了二氧化钛光催化剂在二氧化碳还原领域的最新研究进展, 阐述了其改性策略, 包括异质结的制备、表面功能修饰、能带结构调节和形貌设计等, 目的在于提高二氧化碳还原产物的选择性和转化率. 对二氧化钛在液相光电催化和气相光热催化二氧化碳还原的基本原理进行总结. 对三种二氧化碳还原反应体系进行讨论, 其主要内容包括: (1)阐述光催化、光电催化以及光热催化还原二氧化碳的热力学和动力学基本原理; (2)针对不同体系, 分析提高二氧化钛催化活性和还原产物选择性的方法, 包括表面改性、贵金属沉积和阴/阳离子掺杂; (3)探究密度泛函理论在二氧化碳还原中的应用, 包括但不限于二氧化碳还原的路径调控、关键中间体的吸附构型和和自由能的计算; (4)总结利用二氧化钛催化二氧化碳还原的不同方法的差异, 并分析其发展前景和挑战. 综上, 本文系统综述了二氧化钛在还原二氧化碳的相关工作, 详细分析了在光催化、光电催化和光热催化体系中二氧化碳还原的反应机制和反应原理, 为二氧化碳的催化转化和二氧化钛基光催化剂合理设计提供了参考.

关键词: 二氧化钛, 多相催化, 二氧化碳还原, 太阳燃料

Abstract:

Solar-driven CO2 reduction is an efficient way to convert sustainable solar energy and massive CO2 to renewable solar fuels, such as CH4, HCOOH, HCHO, and CH3OH, etc. Up to now, significant research efforts have been devoted to exploring the reaction path and developing the photocatalysts. In heterogeneous photocatalysis, among the semiconductor-based photocatalysts, titania (TiO2), as an inexpensive and practically sustainable metal oxides, remains the most extensively studied photocatalyst over the past decades. In this review, we summarize the most recent advances in the solar-driven CO2 reduction using TiO2-based photocatalysts, which include the fabrication of heterojunction, surface functional modification, band structure engineering, and morphology design, aiming to improve the CO2 conversion efficiency and selectivity to the desired product. Additionally, photoelectrochemical and photothermal approaches are introduced and the fundamental principles to activate and enhance the performance of TiO2 for the specific reaction are discussed. The exploration of the solar-driven approaches and discussion on the underlying mechanism allow the comprehensive understanding of CO2 photoreduction, that can lead to a rational design and synthesis of TiO2-based photocatalysts.

Key words: TiO2, Heterogeneous catalysis, CO2 reduction, Solar fuel