《表面等離激元調製光催化CO2還原反應理論研究》是依託西南大學，由趙劉斌擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：表面等離激元調製光催化CO2還原反應理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：趙劉斌
- 依託單位：西南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
以太陽能作為直接驅動力的光催化技術是將CO2轉化的理想途徑之一,可將CO2轉化為甲醇、甲烷等低碳燃料。相對於半導體光催化劑，貴金屬納米結構能夠通過激發表面等離激元共振效應(SPR)極大提高對可見光的吸收效率，並通過SPR光電場聚焦效應、光熱效應增強促進金屬表面發生的化學反應。將SPR光催化技術套用於CO2還原反應有望實現可見光範圍高效還原CO2，並且通過對SPR頻率的調節實現對反應路徑和反應產物的控制。目前大多數研究僅限於對SPR增強光催化反應現象的報導,對於SPR光催化反應微觀機制的認識仍然缺乏。本申請課題將圍繞光催化CO2還原反應，在吸附結構、表面光譜和反應機理三個方面展開理論研究，建立表面等離激元與吸附分子作用理論模型，闡明CO2在金屬表面的光催化還原機理，探索金屬電子結構、激發光頻率、電極電勢、溶液pH對反應勢能曲線的影響。
結題摘要
由於人類活動排放了大量的二氧化碳等溫室氣體，使得大氣中溫室氣體的濃度急劇升高，結果造成溫室效應日益增強。大氣溫室效應的不斷加劇導致全球氣候變暖，產生一系列當今科學不可預測的全球性氣候問題。在此背景下，二氧化碳化學還原制高附加值產品在國際上越來越多地受到研究者們的關注。本項目發展了計算隨電位及溶液pH變化的電化學電荷轉移反應能壘的理論方法，從反應動力學角度揭示電極電勢、溶液pH，電極材料表面結構對Cu、Ag、Au等金屬表面CO2還原反應的反應機理、催化活性、產物選擇性的影響，揭示了電子轉移過程和質子轉移過程的協同和分步機理的競爭機制。並且將研究CO2電催化反應的理論框架拓展至研究光催化反應體系，探索了利用貴金屬SPR效應增強調控CO2還原反應的可行性。取得主要研究進展有：（1）CO2在銅電極不同晶面上電催化活性的比較，揭示了電極表面結構對反應起始電位、過電位、反應能壘的影響；（2）CO2電化學還原過程中協同及分步質子-電子轉移機理的競爭機制，明確不同溶液pH下的反應路徑，闡明了溶液pH對反應路徑及催化活性的影響；（3）比較了CO2電化學還原反應在Cu、Ag、Au表面的選擇性，基於反應動力學計算和電子結構分析解釋了Au和Ag表面高CO選擇性的原因；（4）探索了表面等離激元共振效應對CO2光催化反應活性及選擇性的調控，驗證了利用SPR效應可實現Au納米結構光催化CO2還原為CH4。本項目已取得的研究成果不僅解釋了金屬表面CO2光電催化反應實驗現象，並且為理性設計高活性高選擇性光電催化劑提供了理論指導。基於本項目發展的理論模型和方法有望拓展至研究水分解反應、氧還原反應以及氮還原反應等重要光電催化反應體現。
