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Pt0.01Fe0.05-g-C3N4催化剂高效光热催化二氧化碳还原

本站小编 Free考研考试/2022-02-14

摘要/Abstract



光热催化是一种高效利用太阳光, 将二氧化碳转化为高价值产物的方法. 本工作以石墨相氮化碳为载体, 通过水热-浸渍两步法制备了负载铂、铁氧化物的石墨相氮化碳催化剂. 该催化剂具备优异的光热转换性能, 可实现7.36 mmol•h-1•gcat-1的二氧化碳还原活性和97%的一氧化碳选择性. 使用X射线晶体衍射(XRD)、配备能量色散X射线谱(EDS)的球差校正扫描透射电子显微镜(Cs-S/TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(DRS)等表征手段从催化剂物相、微观结构、表面状态、光学性能等方面对催化剂进行了表征. 结果显示, 催化剂能吸收全谱太阳光, 且具备较高的载流子分离效率. 基于原位傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)表征结果, 提出了二氧化碳在催化剂表面的可能的反应机理, 并对铂在铁氧化物表面的氢溢流效应进行了表征. 结果表明二氧化碳和氢气分别在铁氧化物、铂位点被活化, 参与催化反应. 本工作对后续光热二氧化碳还原催化剂的设计、合成与机理研究具有一定的参考作用.
关键词: 石墨相氮化碳, 光热催化, 二氧化碳还原, 原位傅里叶变换红外光谱
Converting CO2 into value-added compounds via photothermal catalysis is a promising strategy to reduce CO2 emission and might be a sustainable alternative to traditional fossil fuels. Here, we report nano-structured a Pt0.01Fe0.05-g-C3N4 hybrid catalyst synthesized via hydrothermal-method and further reduced under reaction condition for the reverse water gas shift (RWGS) reaction. Taking advantage of the photo-thermal effect caused by the near-infrared (NIR) and visible light responsive, the hybrid catalyst produces a remarkable activity (7.36 mmol•h-1•gcat-1) for CO2 reduction with CO selectivity (97%) under 300 W Xe lamp irradiation and CO2/H2 (V/V, 1/1) feed gas. The apparent activation energy of reaction decreases from 238.59 kJ/mol to 48.88 kJ/mol calculated by Arrhenius formula. In order to comprehend the good catalytic activity of Pt0.01Fe0.05-g-C3N4in the RWGS reaction, the catalyst is characterized with powder X-ray diffraction (XRD), spherical-aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (Cs-S/TEM) integrated with X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), UV-vis-NIR diffuse reflectance spectroscopy (DRS),etc. for investigating the structural information, surface state, optical properties and so on. Results show that the presence of FeO x and Pt exhibits strong absorption in a wide range from UV to NIR regions. Low photoluminescence (PL) intensity at about 460 nm shows the suppressed photogenerated carrier recombination process of Pt0.01Fe0.05-g-C3N4 due to the heterojunction between FeO x and g-C3N4. Operando diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) under different reaction conditions is employed to investigate surface species and their evolution during the conversion of CO2 into CO and a broad IR absorption is observed due to hydrogen spillover from Pt to Fe3O4. Therefore, we propose a possible mechanism of photothermal catalytic CO2 reduction, involving separate activation of CO2 and H2 over Fe and Pt acitve sites. Our work present a high-performance Pt0.01Fe0.05-g-C3N4 catalyst for RWGS reaction and open a new vista of the design, synthesis and mechanism research of photothermal catalytic CO2 conversion in the future.
Key words: g-C3N4, photothermal catalysis, CO2 reduction reaction, operando diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy


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