新型催化剂实现红外光下水的全分解及二氧化碳催化加氢制甲烷

来源：微信公众号“Research科学研究”

中国科学技术大学熊宇杰教授与杭州师范大学高鹏教授、叶伟副教授报道了一种新型的红外光催化剂，利用上转换机制实现了红外光下光激发电子从石墨烯量子点到二氧化钛的传递，从而实现了红外光下水的全分解以及二氧化碳催化加氢制甲烷。

相关成果以“Direct Electron Transfer from Upconversion Graphene Quantum Dots to TiO2 Enabling Infrared Light-Driven Overall Water Splitting”为题发表在Research上。

研究背景

太阳每年向地球提供的能量高达173000 TW，约为全球年能源消耗量的9000倍，太阳能的高效利用是解决全球能源危机的终极方案。

在太阳光中，红外光能量占比超过50%，然而由于红外光子的能量较低，其利用是目前公认的世界级难题。

通过特殊光学转换材料与光催化剂的耦合实现高能活性电子并加以利用是一种可行的方案，例如用于红外光催化水分解制氢和二氧化碳加氢制甲烷。

研究进展

中国科学技术大学熊宇杰教授与杭州师范大学高鹏教授团队设计了一个具有强相互作用的二氧化钛/石墨烯量子点（GQD）复合体系，通过石墨烯量子点表面的悬键与二氧化钛形成Ti-O-C键（图1）。

二氧化钛/石墨烯量子点形成的紧密结合促进了光生电子的转移，从而实现了石墨烯量子点上生成的高活性光生电子在二氧化钛表面用于水的全分解。

图1 二氧化钛/石墨烯量子点复合结构的光谱学表征

通过透射电镜表征可以发现，石墨烯量子点成功锚定在二氧化钛纳米管的表面。

能带结构分析表明还原的石墨烯量子点将复合物的导带底和价带顶分别抬升到-0.26和+2.38 V，满足红外光催化水的全分解条件（图2）。

图2 二氧化钛/石墨烯量子点复合光催化剂的结构表征以及能带结构分析

光催化水裂解性能测试表明TiO2/r-GQDs在紫外光下氢气和氧气的生成速率分别达到了358.8 μmol gcat.-1 h-1和175.9 μmol gcat.-1 h-1。

在红外光下（>800 nm, 20 mWcm-2），氢气和氧气的生成速率分别达到了128.3 μmol gcat.-1 h-1和64.1 μmol gcat.-1 h-1。

光到氢气的能量转化效率达到了0.80%，在850 nm处的表观量子效率达到了0.26%（图3）。

图3 基于二氧化钛/石墨烯量子点复合光催化剂的光催化水裂解性能

原位XPS测试结果表明在光照条件下部分的Ti4+转变成Ti2+，表明石墨烯量子点产生的光生电子直接转移到了TiO2表面用于水裂解产氢。

原位红外表征结果表明石墨烯量子点表面的碳出现了明显的含氧光能团，这表明在石墨烯量子点表面C转变成了C-O-O-H，最后析出氧气。

除此之外，还观察到Ti-H键的存在，原位谱学的结果表明在光催化全解水过程中，石墨烯量子点用作析氧位点，二氧化钛中的Ti用作产氢位点（图4）。

图4 基于二氧化钛/石墨烯量子点复合光催化剂的原位谱学表征

未来展望

基于以上转化的石墨烯量子点在红外光催化中展现出很好的应用前景，除了全解水之外，作者还验证了其在红外光催化二氧化碳还原为甲烷中的应用。

通过化学键合的石墨烯量子点与半导体复合，在其他的红外光催化应用如氮气还原、生物质转化以及有机合成等领域都有很好的应用前景。

作者简介

熊宇杰，中国科学技术大学教授、博士生导师，师从谢毅院士。

基于“精准合成-原位谱学-理论模拟”三位一体研究范式，发展复合与杂化材料体系，探索界面耦合激发态下的分子转化机制，推动其在太阳能驱动人工碳循环方面的应用。

迄今为止，在Science等国际刊物上发表250余篇论文，总引用31000余次（H指数92），入选科睿唯安全球高被引科学家榜单和爱思唯尔中国高被引学者榜单。

2017年获国家杰出青年科学基金资助，入选英国皇家化学会会士。2018年获聘长江学者特聘教授。2022年入选新加坡国家化学会会士。

2012年获国家自然科学二等奖（第三完成人），2014-2016和2018年四次获中国科学院优秀导师奖，2015年获中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖，2019年获英国皇家化学会Chem Soc Rev开拓研究者讲座奖。

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高鹏，杭州师范大学材料与化工学院教授、博士生导师。

长期从事催化材料、储能材料、纳米化学、金属-碳杂化材料相关教学与科研工作。

率先提出了多位点储氢理论体系，开发出可逆储氢容量达到国际最高值（12.2 wt%）的材料；提出制-储氢一体化材料体系，氢生成到氢储存转化效率接近100%。

在多个国际著名杂志发表研究论文120余篇，他引4600余次，其中5篇入选ESI高被引论文，H指数45。

已获国家授权发明专利11项，并转化4项；曾获教育部新世纪优秀人才、黑龙江省自然科学一等奖（两项）。

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叶伟，杭州师范大学副教授。

研究方向为先进功能材料合成方法学；光/电化学能源转化；有机电合成。

近年来主持国家青年基金一项，浙江省青年基金一项，浙江省教育厅项目一项。

以第一/通讯作者在Chem、Research、Nano Enegry、Applied Catalysis B: Environmental、Small、ACS Catalysis等期刊上发表文章近30篇。

入选浙江省首批高校领军人才青年优秀人才。