摘要
Solar-driven CO_(2) reduction is an efficient way to convert sustainable solar energy and massive CO_(2) to renewable solar fuels,such as CH_(4),HCOOH,HCHO,and CH_(3)OH,etc.Up to now,significant research efforts have been devoted to exploring the reaction path and developing the photocatalysts.In heterogeneous photocatalysis,among the semiconductor-based photocatalysts,titania(TiO_(2)),as an inexpensive and practically sustainable metal oxides,remains the most extensively studied photocatalyst over the past decades.In this review,we summarize the most recent advances in the solar-driven CO_(2) reduction using TiO_(2)-based photocatalysts,which include the fabrication of heterojunction,surface functional modification,band structure engineering,and morphology design,aiming to improve the CO_(2) conversion efficiency and selectivity to the desired product.Additionally,photoelectrochemical and photothermal approaches are introduced and the fundamental principles to activate and enhance the performance of TiO_(2) for the specific reaction are discussed.The exploration of the solar-driven approaches and discussion on the underlying mechanism allow the comprehensive understanding of CO_(2) photoreduction,that can lead to a rational design and synthesis of TiO_(2)-based photocatalysts.
化石燃料的过度开发和利用加剧了大气中二氧化碳的排放,是导致全球气候变化严重和生态碳平衡破坏的因素之一.利用可持续太阳能驱动的光催化技术可以将二氧化碳转化为一系列高附加值化学品,如甲烷、甲酸、甲醛和甲醇等燃料,因此被认为是解决能源危机和全球变暖的有效途径之一.迄今为止,在被开发利用的光催化剂中,二氧化钛作为一种经济廉价、无毒、稳定和可持续的金属氧化物,是多相光催化二氧化碳还原体系的研究重点.本文重点综述了二氧化钛光催化剂在二氧化碳还原领域的最新研究进展,阐述了其改性策略,包括异质结的制备、表面功能修饰、能带结构调节和形貌设计等,目的在于提高二氧化碳还原产物的选择性和转化率.对二氧化钛在液相光电催化和气相光热催化二氧化碳还原的基本原理进行总结.对三种二氧化碳还原反应体系进行讨论,其主要内容包括:(1)阐述光催化、光电催化以及光热催化还原二氧化碳的热力学和动力学基本原理;(2)针对不同体系,分析提高二氧化钛催化活性和还原产物选择性的方法,包括表面改性、贵金属沉积和阴/阳离子掺杂;(3)探究密度泛函理论在二氧化碳还原中的应用,包括但不限于二氧化碳还原的路径调控、关键中间体的吸附构型和和自由能的计算;(4)总结利用二氧化钛催化二氧化碳还原的不同方法的差异,并分析其发展前景和挑战.综上,本文系统综述了二氧化钛在还原二氧化碳的相关工作,详细分析了在光催化、光电催化和光热催化体系中二氧化碳还原的反应机制和反应原理,为二氧化碳的催化转化和二氧化钛基光催化剂合理设计提供了参考.
基金
国家自然科学基金(22108179).
