Cải thiện hiệu suất quang khử CO2 bằng cách hỗ trợ TiO2 xanh bằng nền tinh thể quang học

Nano Research - Tập 16 - Trang 9310-9317 - 2023
Dengpeng Lan1, Wenting Sheng1, Qianqian Fu1, Jianping Ge1,2
1School of Chemistry and Molecular Engineering, Shanghai Key Laboratory of Green Chemistry and Chemical Processes, East China Normal University, Shanghai, China
2Institute of Eco-Chongming, Shanghai, China

Tóm tắt

Hiệu suất xúc tác của TiO2 trong quá trình quang khử CO2 bị hạn chế bởi khả năng hấp thụ yếu ở vùng khả kiến. Trong công trình này, một chất xúc tác quang học TiO2 xanh (BTPC) được hỗ trợ bởi tinh thể quang học được chuẩn bị để chứng minh hoạt tính cao hơn từ 5–6 lần và cải thiện chọn lọc CH4 so với các chất xúc tác BT được lắp đặt trên đĩa thạch anh. Bằng cách nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ phản xạ và bước sóng của nền PC, hiệu suất xúc tác vượt trội được tìm thấy xuất phát từ khả năng hấp thụ ánh sáng được cải thiện của BT và mật độ điện tử bề mặt tăng lên nhờ vào nền PC. Dựa trên nghiên cứu về tải BT trên nền, chất xúc tác multilayer BTPC đã được thiết kế để tận dụng tối đa ánh sáng truyền qua và đạt được khả năng chuyển đổi CO2 cao hơn trong diện tích đơn vị bức xạ.

Từ khóa

#TiO2 #quang khử CO2 #chất xúc tác quang học #tinh thể quang học #CH4 chọn lọc

Tài liệu tham khảo

Bae, K. L.; Kim, J.; Lim, C. K.; Nam, K. M.; Song, H. Colloidal zinc oxide-copper(I) oxide nanocatalysts for selective aqueous photocatalytic carbon dioxide conversion into methane. Nat. Commun. 2017, 8, 1156. Yu, B. C.; Zhou, Y.; Li, P.; Tu, W. G.; Li, P.; Tang, L. Q.; Ye, J. H.; Zou, Z. G. Photocatalytic reduction of CO2 over Ag/TiO2 nanocomposites prepared with a simple and rapid silver mirror method. Nanoscale 2016, 8, 11870–11874. Wang, Y.; Shang, X. T.; Shen, J. N.; Zhang, Z. Z.; Wang, D. B.; Lin, J. J.; Wu, J. C. S.; Fu, X. Z.; Wang, X. X.; Li, C. Direct and indirect Z-scheme heterostructure-coupled photosystem enabling cooperation of CO2 reduction and H2O oxidation. Nat. Commun. 2020, 11, 3043. Tang, J. Y.; Guo, R. T.; Zhou, W. G.; Huang, C. Y.; Pan, W. G. Ball-flower like NiO/g-C3N4 heterojunction for efficient visible light photocatalytic CO2 reduction. Appl. Catal. B 2018, 237, 802–810. Vu, N. N.; Kaliaguine, S.; Do, T. O. Critical aspects and recent advances in structural engineering of photocatalysts for sunlight—Driven photocatalytic reduction of CO2 into fuels. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901825. Crake, A.; Christoforidis, K. C.; Gregg, A.; Moss, B.; Kafizas, A.; Petit, C. The effect of materials architecture in TiO2/MOF composites on CO2 photoreduction and charge transfer. Small 2019, 15, 1805473. Rajaraman, T. S.; Parikh, S. P.; Gandhi, V. G. Black TiO2: A review of its properties and conflicting trends. Chem. Eng. J. 2020, 389, 123918. Huang, Y.; Li, K.; Zhou, J. C.; Guan, J.; Zhu, F. F.; Wang, K.; Liu, M. C.; Chen, W. S.; Li, N. X. Nitrogen-stabilized oxygen vacancies in TiO2 for site-selective loading of Pt and CoOx cocatalysts toward enhanced photoreduction of CO2 to CH4. Chem. Eng. J. 2022, 439, 135744. Li, K.; Peng, B. S.; Jin, J. P.; Zan, L.; Peng, T. Y. Carbon nitride nanodots decorated brookite TiO2 quasi nanocubes for enhanced activity and selectivity of visible-light-driven CO2 reduction. Appl. Catal. B 2017, 203, 910–916. Xu, C. Y.; Huang, W. H.; Li, Z.; Deng, B. W.; Zhang, Y. W.; Ni, M. J.; Cen, K. F. Photothermal coupling factor achieving CO2 reduction based on palladium-nanoparticle-loaded TiO2. ACS Catal. 2018, 8, 6582–6593. Sekar, K.; Chuaicham, C.; Vellaichamy, B.; Li, W.; Zhuang, W.; Lu, X. H.; Ohtani, B.; Sasaki, K. Cubic Cu2O nanoparticles decorated on TiO2 nanofiber heterostructure as an excellent synergistic photocatalyst for H2 production and sulfamethoxazole degradation. Appl. Catal. B 2021, 294, 120221. Chen, X. B.; Liu, L.; Yu, P. Y.; Mao, S. S. Increasing solar absorption for photocatalysis with black hydrogenated titanium dioxide nanocrystals. Science 2011, 331, 746–750. Xuan, X. N.; Tu, S. C.; Yu, H. J.; Du, X.; Zhao, Y. J.; He, J. H.; Dong, H. F.; Zhang, X. J.; Huang, H. W. Size-dependent selectivity and activity of CO2 photoreduction over black nano-titanias grown on dendritic porous silica particles. Appl. Catal. B 2019, 255, 117768. Zhang, W.; He, H. L.; Tian, Y.; Li, H. Z.; Lan, K.; Zu, L. H.; Xia, Y.; Duan, L. L.; Li, W.; Zhao, D. Y. Defect-engineering of mesoporous TiO2 microspheres with phase junctions for efficient visible-light driven fuel production. Nano Energy 2019, 66, 104113. Katal, R.; Salehi, M.; Davood Abadi Farahani, M. H.; Masudy-Panah, S.; Ong, S. L.; Hu, J. Y. Preparation of a new type of black TiO2 under a vacuum atmosphere for sunlight photocatalysis. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 35316–35326. Tan, H. Q.; Zhao, Z.; Niu, M.; Mao, C. Y.; Cao, D. P.; Cheng, D. J.; Feng, P. Y.; Sun, Z. C. A facile and versatile method for preparation of colored TiO2 with enhanced solar-driven photocatalytic activity. Nanoscale 2014, 6, 10216–10223. Chen, Y. W.; Li, L. L.; Xu, Q. L.; Chen, W.; Dong, Y. Q.; Fan, J. J.; Ma, D. K. Recent advances in opal/inverted opal photonic crystal photocatalysts. Solar RRL 2021, 5, 2000541. Zheng, X. Z.; Zhang, L. W. Photonic nanostructures for solar energy conversion. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2511–2532. Wei, Y. C.; Jiao, J. Q.; Zhao, Z.; Liu, J.; Li, J. M.; Jiang, G. Y.; Wang, Y. J.; Duan, A. J. Fabrication of inverse opal TiO2-supported Au@CdS core—shell nanoparticles for efficient photocatalytic CO2 conversion. Appl. Catal. B 2015, 179, 422–432. Tang, Z. L.; Wang, C. J.; He, W. J.; Wei, Y. C.; Zhao, Z.; Liu, J. The Z-scheme g-C3N4/3DOM-WO3 photocatalysts with enhanced activity for CO2 photoreduction into CO. Chin. Chem. Lett. 2022, 33, 939–942. Li, Y. F.; Tang, J. J.; Wei, Y. C.; He, W. J.; Tang, Z. L.; Zhang, X.; Xiong, J.; Zhao, Z. The heterojunction between 3D ordered macroporous TiO2 and MoS2 nanosheets for enhancing visible-light driven CO2 reduction. J. CO2Util. 2021, 51, 101648. Wu, X. J.; Lan, D. P.; Zhang, R. F.; Pang, F.; Ge, J. P. Fabrication of opaline ZnO photonic crystal film and its slow-photon effect on photoreduction of carbon dioxide. Langmuir 2019, 35, 194–202. Zeng, S.; Vahidzadeh, E.; VanEssen, C. G.; Kar, P.; Kisslinger, R.; Goswami, A.; Zhang, Y.; Mahdi, N.; Riddell, S.; Kobryn, A. E. et al. Optical control of selectivity of high rate CO2 photoreduction via interband- or hot electron Z-scheme reaction pathways in Au-TiO2 plasmonic photonic crystal photocatalyst. Appl. Catal. B 2020, 267, 118644. Rahul, T. K.; Mohan, M.; Sandhyarani, N. Enhanced solar hydrogen evolution over in situ gold-platinum bimetallic nanoparticle-loaded Ti3+ self-doped titania photocatalysts. ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 3049–3059. Zhao, H.; Hu, Z. Y.; Liu, J.; Li, Y.; Wu, M.; Van Tendeloo, G.; Su, B. L. Blue-edge slow photons promoting visible-light hydrogen production on gradient ternary 3DOM TiO2-Au-CdS photonic crystals. Nano Energy 2018, 47, 266–274. Li, X. F.; Wang, C. Q.; Li, B.; Shao, Y.; Li, D. Z. Efficient light harvesting over a CdS/In2O3 photonic crystal photocatalyst for hydrogenation of 4-nitroaniline to p-phenylenediamine. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 27848–27857. Li, Y.; Liu, F. T.; Chang, Y.; Wang, J.; Wang, C. W. High efficient photocatalytic activity from nanostructuralized photonic crystal-like p—n coaxial hetero-junction film photocatalyst of Cu3SnS4/TiO2 nanotube arrays. Appl. Surf. Sci. 2017, 426, 770–780. Jelle, A. A.; Ghuman, K. K.; O’Brien, P. G.; Hmadeh, M.; Sandhel, A.; Perovic, D. D.; Singh, C. V.; Mims, C. A.; Ozin, G. A. Highly efficient ambient temperature CO2 photomethanation catalyzed by nanostructured RuO2 on silicon photonic crystal support. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702277. Wu, Y. T.; Lu, J.; Li, M. L.; Yuan, J.; Wu, P. H.; Chang, X. J.; Liu, C. Q.; Wang, X. F. Bismuth silicate photocatalysts with enhanced light harvesting efficiency by photonic crystal. J. Alloys Compd. 2019, 810, 151839. Li, P.; Chen, S. L.; Wang, A. J.; Wang, Y. Probing photon localization effect between titania and photonic crystals on enhanced photocatalytic activity of titania film. Chem. Eng. J. 2016, 284, 305–314. Sun, S. M.; Wang, W. Z.; Zhang, L.; Xu, J. H. Bi2WO6/SiO2 photonic crystal film with high photocatalytic activity under visible light irradiation. Appl. Catal. B 2012, 125, 144–148. Pang, F.; Jiang, Y. T.; Zhang, Y. Q.; He, M. Y.; Ge, J. P. Synergetic enhancement of photocatalytic activity with a photonic crystal film as a catalyst support. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 21439–21443. Zhang, R. F.; Zeng, F.; Pang, F.; Ge, J. P. Substantial enhancement toward the photocatalytic activity of CdS quantum dots by photonic crystal-supporting films. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 42241–42248. Sorcar, S.; Hwang, Y.; Grimes, C. A.; In, S. I. Highly enhanced and stable activity of defect-induced titania nanoparticles for solar light-driven CO2 reduction into CH4. Mater. Today 2017, 20, 507–515. He, Y. Y.; Liu, L. Y.; Fu, Q. Q.; Ge, J. P. Precise assembly of highly crystalline colloidal photonic crystals inside the polyester yarns: A spray coating synthesis for breathable and durable fabrics with saturated structural colors. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2200330. Wang, C.; Lin, X.; Schäfer, C. G.; Hirsemann, S.; Ge, J. P. Spray synthesis of photonic crystal based automotive coatings with bright and angular—Dependent structural colors. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008601. Zhang, X.; Luo, L.; Yun, R. P.; Pu, M.; Zhang, B.; Xiang, X. Increasing the activity and selectivity of TiO2-supported Au catalysts for renewable hydrogen generation from ethanol photoreforming by engineering Ti3+ defects. ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 13856–13864. Yan, Y.; Han, M. Y.; Konkin, A.; Koppe, T.; Wang, D.; Andreu, T.; Chen, G.; Vetter, U.; Morante, J. R.; Schaaf, P. Slightly hydrogenated TiO2 with enhanced photocatalytic performance. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 12708–12716. Wu, Y. T.; Liu, Q. J.; Liu, T. T.; Wang, J. R.; Xu, S. M. The construction of photonic crystal/Cu2+ doped TiO2-SiO2 multilayer structured film for enhanced visible light photocatalytic performance: The synergistic effect between the different layers. J. Alloys Compd. 2022, 911, 164768. Wang, Q. T.; Fang, Z. X.; Zhao, X. K.; Dong, C. L.; Li, Y.; Guo, C. P.; Liu, Q. L.; Song, F.; Zhang, W. Biotemplated g-C3N4/Au periodic hierarchical structures for the enhancement of photocatalytic CO2 reduction with localized surface plasmon resonance. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 59855–59866. Xiong, Z.; Lei, Z.; Kuang, C. C.; Chen, X. X.; Gong, B. E.; Zhao, Y. C.; Zhang, J. Y.; Zheng, C. G.; Wu, J. C. S. Selective photocatalytic reduction of CO2 into CH4 over Pt-Cu2O TiO2 nanocrystals: The interaction between Pt and Cu2O cocatalysts. Appl. Catal. B 2017, 202, 695–703.