能源危机和CO2含量过高导致的温室效应是现阶段我们面

摘要

能源危机和CO2含量过高导致的温室效应，是现阶段我们面临的两大难题。利用太阳能和半导体催化剂，通过光催化过程将CO2和H2O分子转化为烃类燃料的技术引起了研究者广泛的兴趣。光催化还原CO2技术既有助于减少大气中CO2含量，又能缓解能源危机，一举两得。TiO2因其成本低、无毒、储量丰富、耐光腐蚀等优点被广泛应用在光催化领域。然而，由于TiO2禁带宽度宽和光生载流子复合概率大的缺点降低了TiO2的光催化效率。因而研发高效光催化剂，提高光催化还原CO2反应效率，是目前备受关注的焦点和努力实现的目标。

本论文研究思路可分为如下两方面：首先从设计催化剂结构出发，将催化剂制备成三维有序大孔结构，利用慢光效应提高催化剂对太阳光吸收能力。其次从改变催化剂的组成出发，以催化性能良好的TiO2半导体为载体，在载体表面沉积贵金属纳米颗粒、半导体氧化物纳米薄层以及两种改性方法结合制成核壳结构催化剂等手段来合成高活性的光催化剂。主要研究内容和结论如下：

（1）以钛酸四丁酯为前驱体溶液，利用胶体晶体模板法制备了3DOM TiO2载体；利用气膜辅助还原法实现在3DOM TiO2载体上担载Au纳米颗粒，制备得到3DOM Au/TiO2光催化剂。3DOM Au/TiO2催化剂孔道三维有序贯通，Au纳米颗粒均匀担载在大孔孔壁上。3DOM Au/TiO2光催化剂展示高的光催化还原CO2催化活性。测试结果表明，反应480 min，3DOM Au8/TiO2催化活性最高，生成CH4量最高为23.10 μmol·g-1，接近商业P25产量的3倍（8.85 μmol·g-1）。（2）利用气膜辅助沉淀法在3DOM TiO2载体上担载CeO2纳米层，制备得到3DOM CeO2/TiO2光催化剂。从HRTEM图片能清楚发现CeO2纳米层均匀分布在3DOM TiO2载体表面和孔道内壁上，并展示了清晰的异质结结构。从发光光致光谱、紫外可见漫反射光谱得知复合CeO2与TiO2两种半导体提高了催化剂吸光效率和分离光生载流子的能力。因此，3DOM CeO2/TiO2催化剂展示高的光催化还原CO2活性。

（3）利用气膜辅助还原/沉淀法实现在3DOM TiO2载体表面担载Pt@CdS纳米颗粒。在太阳光激发下，CdS和TiO2会各自产生光生电子-空穴对，由于电子转移矢量方向为TiO2→Pt→CdS，所以在TiO2载体上发生氧化H2O生成O2反应，CdS上发生光催化还原CO2反应。其中，3DOM Pt@CdS/TiO2-1催化剂活性最高，CH4最高生成速率为36.8 μmol·g-1·h-1，这可归因于催化剂提高了光吸收效率和分离光生电子-空穴的能力。三维有序大孔氧化物担载贵金属/硫化

物核壳纳米颗粒将会是光催化还原CO2和H2O分子反应中非常有前景的催化剂体系。

关键词：光催化还原CO2；三维有序大孔催化剂；贵金属；甲烷；一氧化碳