BiOBr光催化还原二氧化碳研究进展_张艳峰.pdf

第4 7卷/第3期/2 0 2 3年5月河北师范大学学报/自然科学版/J O U R N A LO FH E B E IN O R M A LU N I V E R S I T Y(N a t u r a lS c i e n c e)V o l.4 7N o.3M a y.2 0 2 3文章编号:1 0 0 0-5 8 5 4(2 0 2 3)0 3-0 2 5 9-0 8收稿日期:2 0 2 1-0 5-1 1;修回日期:2 0 2 1-0 6-0 2基金项目:河北省自然科学基金(B 2 0 2 0 2 0 5 0 1 3,B 2 0 2 2 2 0 5 0 0 8);河北师范大学技术创新基金(L 2 0 2 1 K 0 1)作者简介:张艳峰(1 9 6 9),女,河北宁晋人,教授,博士,硕士生导师,研究方向为纳米材料的制备及光催化性能.B i O B r光催化还原二氧化碳研究进展张艳峰1,赵梦玥1,崔 红2(1.河北师范大学 化学与材料科学学院,河北 石家庄 0 5 0 0 2 4;2.河北交通职业技术学院 教务处,河北 石家庄 0 5 0 0 3 5)摘要:近年来,温室效应导致的环境问题日趋严重,科学家们致力于研究高效转化C O2等温室气体的技术.以太阳能为驱动力的光催化技术,可以将C O2转化成甲烷、甲醇、甲酸等高附加值的碳氢燃料,从而缓解环境污染和能源危机.B i O B r因其具有独特的层状结构,成为光催化还原C O2领域的研究热点.综述了B i O B r实现C O2高效转化的研究进展,重点分析了B i O B r的结构和性质,从分子反应过程、原位红外技术和密度泛函理论(D F T)计算3个方面探讨了B i O B r光催化还原C O2的反应机理,最后展望了B i O B r在C O2光还原领域的研究前景和发展趋势.关键词:光催化;C O2还原;B i O B r;性能;机理中图分类号:O6 4 3 文献标志码:A d o i:1 0.1 3 7 6 3/j.c n k i.j h e b n u.n s e.2 0 2 3 0 3 0 0 7R e s e a r c hP r o g r e s so nP h o t o c a t a l y t i cR e d u c t i o no fC a r b o nD i o x i d eb yB i O B rZ HANGY a n f e n g1,Z HAO M e n g y u e1,C U IH o n g2(1.C o l l e g eo fC h e m i s t r ya n dM a t e r i a l sS c i e n c e,H e b e iN o r m a lU n i v e r s i t y,H e b e iS h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 2 4,C h i n a;2.D e a n sO f f i c e,H e b e i J i a o t o n gV o c a t i o na n dT e c h n i c a lC o l l e g e,H e b e i S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 3 5,C h i n a)A b s t r a c t:I nr e c e n t y e a r s,t h e e n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s c a u s e db y t h eg r e e n h o u s e e f f e c t a r eb e c o m i n g i n-c r e a s i n g l ys e r i o u s.S c i e n t i s t sa r e c o mm i t t e d t o t h e r e s e a r c ho f t e c h n o l o g i e s f o r e f f i c i e n t c o n v e r s i o no f g r e e n-h o u s eg a s e ss u c ha sC O2.P h o t o c a t a l y t i ct e c h n o l o g yd r i v e nb ys o l a re n e r g yc a nc o n v e r tC O2i n t oh i g h-v a l-u e-a d d e dh y d r o c a r b o n f u e l s,s u c ha sm e t h a n e,m e t h a n o l a n d f o r m i c a c i d,t h u sm i t i g a t i n ge n v i r o n m e n t a l p o l-l u t i o na n de n e r g yc r i s i s.B i O B rh a sb e c o m e a r e s e a r c hh o t s p o t i n t h e f i e l do f p h o t o c a t a l y t i c r e d u c t i o no fC O2d u e t o i t su n i q u e l a y e r e ds t r u c t u r e.T h er e s e a r c hp r o g r e s so f t h ee f f i c i e n tc o n v e r s i o no fC O2b yB i O B rw a sr e v i e w e d,a n d t h e s t r u c t u r e a n dp r o p e r t i e so fB i O B rw e r e e m p h a t i c a l l ya n a l y z e d.T h e r e a c t i o nm e c h a n i s mo ft h ep h o t o c a t a l y t i cr e d u c t i o no fC O2b y B i O B r w a sd i s c u s s e df r o m t h r e ea s p e c t s:m o l e c u l a rr e a c t i o np r o c e s s,i ns i t ui n f r a r e dt e c h n o l o g ya n dd e n s i t yf u n c t i o n a l t h e o r y(D F T)c a l c u l a t i o n.F i n a l l y,t h er e s e a r c hp r o s p e c t a n dd e v e l o p m e n t t r e n d i nt h e f i e l do fC O2p h o t o r e d u c t i o nw e r ep r o s p e c t e d.K e yw o r d s:p h o t o c a t a l y s i s;C O2r e d u c t i o n;B i O B r;p e r f o r m a n c e;m e c h a n i s m随着工业化和城市化的快速发展,自然资源短缺、环境污染等问题引起了全世界的高度关注1.尤其是C O2的过度排放,已经威胁到全球气候和人类活动,将C O2转化为高附加值化学品,可以有效地保护环境和实现能源再生2.光催化还原C O2有“人工光合作用”之称,其模仿了植物光合作用,利用太阳光将C O2还原为有机物,具有重要的现实意义和研究价值3.过去的几十年中,在对C O2选择性光还原方面的研究取得了显著进展.自1 9 7 9年I n o u e第一次证明了C O2可以转化为甲醛和甲醇等物质以来,许多材料被广泛应用于光催化还原C O2.其中,最常见的是金属氧化物,特别是T i O2,G a2O3,B i2M o O6,I n2O3和T a2O5等.通常在这些材料表面掺杂金属,如P t,C u,C r,R u,P d,A g,F e,C o和N i,用金属充当电子接收器,有效地捕获电子并稳定电荷分离,从而提高材料的光催化性能4.氮化物(如g C3N45,T a ON6等)和硫化物(如C o S27,C d S8,Z n I n2S49等)由于其具有合适的带隙能、形态结构可调谐、可见光吸收强等性质也受到广泛关注.金属有机骨架化合物(MO F s)也是一种新型光催化材料1 0.异质结体系也被大 力开发,普通型异质 结如MO F/T i O2/C o T i O31 1、Z型异质结如Z n O/A u/g C3N41 2、S型异质结如T i O2/C s P b B r31 3等;但在光催化还原过程中,仍存在光生电子 空穴对复合率较高、可见光响应较弱、C O2的吸附性较差等问题.所以,研究者们致力于开发各种新型光催化剂1 4.其中,B i O B r是一种很有前途的光催化能量转化和环境修复的新型层状材料,属于多组分金属氧卤化物 家族,具有化学性质稳定、无毒、耐腐蚀的特性1 5,成为光催化领域的研究热点.本文中,笔者综述了B i O B r的晶体结构、能带结构及常用的合成方法,总结了B i O B r光催化C O2转化的机理,探讨了B i O B r的研究前景和发展趋势.图1 B i O B r的层状结构 F i g.1 L a y e r e dS t r u c t u r eo fB i O B r1 B i O B r的结构及光催化还原C O2性能图1给出了B i O B r的层状结构1 6.可以看出,B i O B r是通过范德华力将双层B r原子与B i2O22+层组合形成层状结构的,层内原子由强共价键连接,层间存在弱范德华相互作用.这种特殊结构可以诱导内部电场,有利于光诱导电荷的分离和迁移1 7.图2给出了B i O B r的能带结构.具有合适的带隙结构是B i O B r成为光催化剂的主要原因.它的带隙能为2.6 4e V,可以吸收可见光,容易发生氧化反应,从而为C O2提供电子.B i O B r的导带(C B)电位比C O2还原生成C H4(E=-0.2 4V),C H3O H(E=-0.3 8V)和C O(E=-0.5 3V)的电位更负,因此有望实现C O2光还原1 8.图3给出了B i O X(X=F,C l,B r,I)光催化还原C O2生成C O和C H4的产率.与B i O F,B i O C l和B i O I相比,B i O B r光催化还原C O2生成C O的产率高达2 3m o l/(gh),C H4的产率为2m o l/(gh).图4给出了不同光强下B i O B r光催化还原C O2生成C O的产率.可以看出,随着光强的增加,C O的产率增加,在6 0 0mW/c m2处C O的产率高达8 0m o l/(gh).图5给出了不同光强下B i O B r光催化还原C O2生成C H4的产率.可以看出,光强为2 0 0 5 1 4mW/c m2时,C H4的产率先增加后减小,光强为4 2 2mW/c m2时,C H4的产率达到最高,为1.4m o l/(gh)1 9.2 B i O B r的合成方法2.1 水热法和溶剂热法水热法和溶剂热法是合成B i O B r的重要方法.水热法和溶剂热法是指在封闭体系中分别以水和有机物为溶剂,在高温高压下进行反应的合成方法.其中,通过调节p H值、溶剂种类、反应时间和温度,可以控制催化剂的小面、尺寸、表面缺陷、形貌和化学计量比2 0.图2 B i O B r的能带结构F i g.2 B a n dS t