《ZnO光催化還原CO2機理探索及高效催化劑結構設計與製備》是依託上海大學，由張繼業擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：ZnO光催化還原CO2機理探索及高效催化劑結構設計與製備
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張繼業
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
ZnO是一種潛在的高效CO2還原光催化劑，然而作為提高光催化效率和選擇性的基礎，對其光催化還原的反應路徑和機理的研究還基本上處於空白。因此，申請人立題以大尺寸的ZnO體單晶為基礎，利用單晶結構確定、性能穩定可測、缺陷可控以及可以獲得單一晶面的樣品等優點，構建儘可能接近理論理想狀態的模型反應體系，對ZnO光催化還原CO2的微觀機制進行系統研究。具體以不同晶面指數的理想單晶面為基礎，引入晶格缺陷、表面金屬負載等多種影響因素，揭示各因素對CO2和H2O或H2分子的吸附構型、活性位點、反應中間體乃至反應路徑起作用的微觀機制。重點理清吸附狀態、活性位點、反應中間體以及反應最終產物之間的相互關係。本項目研究結果可以從分子尺度闡明ZnO光催化還原CO2的反應路徑，揭示晶面指數、表面缺陷、金屬負載對催化反應路徑和效率的影響機制，為今後設計與合成具有高催化活性、高選擇性的納米催化劑提供理論指導。
結題摘要
Cu負載的ZnO是最好的CO2加H2還原製備甲醇的催化劑之一，但是催化反應一般都要在高溫高壓下進行，因此如果能夠利用光子能量實現常溫常壓下的光催化CO2還原，則可以大幅降低相關平台化學品的製備成本，具有較高的套用前景。本項目主要以ZnO單晶極性面為基礎，構建具有不同表面狀態的單晶面，通過對CO2和H2O或H2吸附方式、反應中間體類型、表面活性位點以及最終產物的分析與表征，結合第一性原理計算，釐清了不同晶面指數、表面缺陷、金屬負載下光催化還原CO2的反應路徑。（1）製備出了大尺寸的純氧化鋅及摻鎵氧化鋅極性面單晶片；（2）利用第一性原理計算詳細研究了Ga、In、Al等施主雜質摻雜對單晶表面的生長行為以及電子結構的影響，結果發現Ga可以作為很好的ZnO單晶二維生長的表面活性劑。同時Ga摻雜產生的深能級也能夠提高ZnO對可見光的吸收，提高催化劑的光利用率。（3）利用第一性原理計算模擬了ZnO及Cu/ZnO極性面CO2吸附態及其電子結構，獲得了對ZnO極性面表面負載Cu以及CO2化學吸附後的電荷轉移模型，提出了CO2加H2還原反應的微觀機制和反應過程，綜合研究結果發現Cu/ZnO(0001)體系可以作為一種高效的CO2加H2還原光催化劑；（4）研究了ZnO光催化還原CO2相關的共催化劑石墨烯量子點及Cu量子點的製備、摻雜及改性，通過初步的在光催化和發光性能研究，篩選和製備出3nm的Cu量子點、N摻雜石墨烯量子點、S摻雜的石墨烯量子點以及高度撕裂的胺功能化石墨烯共催化劑。得到了幾種共催化體系的活性位點、電子轉移模型，為進一步的高效高選擇性的CO2還原光催化劑的設計和製備奠定了基礎。
