光电催化还原二氧化碳概览

应 的基本 过程 、研 究半 导体对 太 阳 能 的吸收机 制 、研 究 光 电子 和 空穴 的分 离及 光 电子 向催化
Ｖ Ｓ ． Ｓ ＨＥ ／ Ｖ
一１ ． ８ ５
剂 表 面迁 移 的规 律等 都有 利 于 阐 明催 化剂 的表
面 微 结构 和 能带 构造 ，从而 提高 光催 化材 料对 Ｃ Ｏ 的催化效率 。
在 一定程度 上可用作储 存能源 的携 带者 。Ｃ Ｏ ， 是 碳元素处 于最 高价态 的化合物 ，它 的化学状态 非 常稳定 ，因此使其 发生还原反应必然要借助于 高
化 ，却可 以促进化 学反应 的进行 。太 阳能是一种 可靠 的清洁 能源 ，通过选择合适 的光催化剂 ，可 以利用 阳光将 二氧化碳转 化为燃料和 工业 原料 ， 以实现 二氧 化碳 的 回收 。Ｉ ｎ ｏ ｕ ｅ 等［ ２ 】 在２ Ｏ 世纪 ７ Ｏ 年代 以Ｔ ｉ Ｏ ， 、Ｚ ｎ Ｏ、ＷＯ 、Ｃ ｄ Ｓ 、Ｓ ｉ Ｃ 等半导体材
筮． 未志 第 ３ ９ 卷 第 ４ 期一 专 题 综 述
ｄ ｏ ｉ ： ｌ Ｏ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ０ ２ ５ ３ — ９ ６ ０ ８ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ４ ． ０ ０ １
光电 催 化 还 原 二 氧 化 碳 概 览
饶旭 峰① ， 许杰① ， 刘 予宇Ｏ ￣ ｔ ｔ ， 张久俊Ｏ ￣ ｔ ｔ ｔ
Ｃ Ｏ ２ （ ｇ ） ＋ ３ Ｈ２ Ｏ（ １ ） ＋ ４ ｅ 一 － － ￣ ＨＣ ＨＯ 一 （ １ ） ＋ ４ ＯＨ一 （ ａ ｑ ）
Ｃ Ｏ２ （ ｇ ） ＋ ５ Ｈ ２ Ｏ （ １ ） ＋ ６ ｅ 一 － － － ￣ Ｃ Ｈ ３ ＯＨ ＋ ６ Ｏ Ｈ一 （ ａ ｑ ）
一 ０ ． ４ ８ ５
料作 为催化剂 ，利用氙灯光源将 饱和Ｃ Ｏ ， 溶液 中
的Ｃ Ｏ 转化成 了甲烷（ Ｃ Ｈ ） 、 甲醇（ ｃ Ｈ Ｏ Ｈ ） 、甲醛 （ ＨＣ Ｈ Ｏ ） 、甲酸（ Ｈ Ｃ Ｏ Ｏ Ｈ ） 等小分子有机 物，为后
续研究人 员制备Ｃ Ｏ ， 催化还 原的催化剂 以及研究
相关机理打下 了 良好 的基础 。 目前 ，使 用 最为 广泛 的二氧 化碳 光 转化 催
温 、高（ 电） 压环境 ，或者借助 于合适 的催 化剂 。 目前 ，人工对Ｃ Ｏ ， 进行 转化 的方法主要包 括高温
催化加氢法 、电化学催化还原法 、光催化转化法 和光 电协 同催化方 法 ” 。其 中 ，光催化 和光 电 协 同催 化可 以有效 利 用 自然 界广 泛存 在 的太 阳 能，避免使用高温和 高 电压 的还原环境 ，具有广 阔的应用前景 。
干 通 信作者 ，Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｊ ｉ ｅ ｘ ｕ ＠ｓ ｈ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｒ ｌ
什通信 作者 ，Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｌ ｉ ｕ ｙ ｕ ｙ ｕ ＠ｓ ｈ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
Ｖ Ｂ ） ；导带底部 和价带顶部之 间的间隙被称为禁
带（ ｂ ａ ｎ ｄ ｇ ａ ｐ ，Ｅ ） 。不 同半导体 具有的禁带 宽度 不 同（ 图２ ） 。当入 射光强度 大于禁带 宽度 时（ 即入
化剂是半导体材料 。半导体是导 电性质在导体和
绝 缘体之 间 的材料 。如 图１ 所 示 ，所有 半导体 具 有三个 结构：价带、禁带和导带，其能带不是连 续 分布 的 。没 有 被 电子 占据 并且 具有 高 能量 的 能带被 称为导带（ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ａ ｎ ｄ ，Ｃ Ｂ ） ；具有 电 子且 能量较低 的能带被 称为价带（ ｖ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ｂ ａ ｎ ｄ ，
１ 利 用 太 阳 能 实现 Ｃ Ｏ２ 还 原
自然 界最常见 的Ｃ Ｏ ， 转化方法 是光合作用 ，
即绿色植物或 光合细菌在光照条件 下，将空气 中
的Ｃ Ｏ 转 化为氧 气和（ 或） 生长 必须 的能量 物质 。
光催 化还 原Ｃ Ｏ ， 类 似植物 的光合作用 。光催化 又 被称 为光触媒ｆ 催化３ ０ ） 反应 ，光触媒将 自然界 的 光 能 转化 为 化学 能 ，其 自身在 反应 前 后 不起 变
Ｃ Ｏ２ （ ｇ ） ＋ Ｈ２ Ｏ（ １ ） ＋ ２ ｅ 一 － － ￣ Ｈ Ｃ Ｏ０ 一 （ ａ ｑ ） ＋ Ｏ Ｈ一 （ ａ ｑ ）
Ｃ Ｏ２ （ ｇ ） ＋ Ｈ２ Ｏ（ １ ） ＋ ２ ｅ 一 － ＋ 源自文库 Ｏ（ ｇ ） ＋ ２ ＯＨ 一 （ ａ ｑ ）
一 ０ ． ０ ６ ５
一 ０ ． ５ ２ １
一 ０ ． ３ ９ ９
Ｃ Ｏ２ 的原理和特点 ， 得出光电催化还原ｃ Ｏ ２ 具备诸多优点 ， 并对光电催化还原Ｃ Ｏ ２ 的影响因素进行了分桐 ， 最后对其未来的
研究方 向进行 了展望。 关键词 光 催化 ： 光电催化 ： 二氧化碳还原
将大 气 中的二氧 化碳 （ ｃ ｏ ） 转化 成低碳 燃料
或小分 子有机化合 物 ，不仅对Ｃ Ｏ， 减排有 利 ，也
① 上海大学理学 院，上海 ２ ０ ０ ４ ４ ４ ；②上海 大学可 持续能源研 究院 ，上海 ２ ０ ０ ４ ４ ４
摘 要 光 电催 化还原二氧化碳 （ ｃ ｏ ２ ） 利 用光能和电能可 以将二氧化碳转化 为液体燃料或其他 有机化合物 ， 还原过程结合 了光 催 化还原和 电化学还原的 优点 ， 具有 巨大的应用 潜力。通过 简要介绍并 比较 光催化转化 、电催化还原和光 电协同催化还原
ｔ ｔ ｔ ￣ ｎ 拿大工程 院院士 ，研 究方 向： 电化学、 电催化 、光 电化学 、电化学能源储存与转换
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自筮 ． ． 褒 志 第 ３ ９ 卷 第 ４ 期＿ 专 题 综 述
表 １常温下Ｃ Ｏ 还原反应式和反应 电极 电势
反应 式
ＣＯ２ ＋ ｅ 一 ＿ ÷ ・ ＣＯ；