銅鉑雙單原子負載晶化氮化碳及其增強光催化CO2還原性能

編號：CYYJ02612

篇名：銅鉑雙單原子負載晶化氮化碳及其增強光催化CO2還原性能

作者：程蕾 張鵬 文岐業(yè) 范佳杰 向全軍

關鍵詞： 銅鉑雙單原子 晶化氮化碳 光催化還原CO2 低負載量 協同光催化

機構： 電子科技大學電子科學與工程學院 電子科技大學長三角研究院（湖州） 鄭州大學材料科學與工程學院

摘要： 鉑單原子作為一種新型催化劑,具有活性組分高度分散、配位未飽和以及原子利用率高等特點,在光催化還原CO2方面表現出巨大潛力.但是由于成本高昂和負載量高等因素,極大地限制了其在實際生產中的廣泛應用.合成具有低負載量貴金屬鉑,同時提高鉑基單原子催化劑的催化活性仍然是一項巨大挑戰(zhàn).晶化石墨相氮化碳的二維結構,特別是其穩(wěn)定晶化結構所形成的限域環(huán)境及其可擴展的π共軛單元,可以有效錨定金屬單原子,因而可作為金屬單原子的良好載體.已有的金屬單原子載體氮化碳多為弱晶或非晶結構,基于晶化氮化碳的高結晶度和高結構穩(wěn)定性,合理構建金屬單原子沉積的結晶石墨相氮化碳體系仍十分困難.關于晶化氮化碳負載金屬單原子催化劑應用于光催化還原CO2的研究至今鮮有報道.本文開發(fā)了一種具有低負載量的鉑基雙單原子錨定晶化氮化碳的制備方法,通過設計氮化碳缺陷位點,在晶化石墨相氮化碳載體表面構筑氮缺陷位點,利用載體的豐富氮缺陷作為陷阱,有效捕獲雙單原子金屬前驅體,成功制備了具有低負載量(鉑為0.32wt%)的雙金屬銅鉑單原子催化劑,并用于光催化CO2還原反應中.結果表明,相比于單原子鉑催化劑和單原子銅催化劑,該種雙單原子銅鉑體系在光催化還原CO2-CO中表現了更好催化活性.在光照3.5 h后,銅鉑雙單原子體系的CO產量達到41.1μmolg-1.除此之外,銅鉑雙單原子體系在光催化過程中有利于促進CH4生成,在沒有任何犧牲劑或共催化劑作用下其CH4的產量為9.8μmolg-1,其產率分別是相同光照條件下單原子鉑催化劑(3.2μmolg-1)和單原子銅催化劑(2.0μmol g-1)的三倍和五倍.高分辨透射電鏡結果表明,制備的氮化碳呈現了高度晶化的結構.球差掃描透射電子顯微鏡結果表明,鉑和銅物種分別以高度分散的單原子形式存在,且在雙金屬銅鉑單原子體系并未發(fā)現銅顆粒和鉑顆粒.電化學分析結果表明,通過雙配位活性位點的橋梁作用提高光生電子的轉移效率,使得銅鉑雙單原子體系具有更高的電流密度和更好的載流子傳輸能力.原位X射線光電子能譜結果表明,金屬鉑和銅單原子成功負載在晶化石墨相氮化碳上,且在光照過程中單原子鉑和銅的結合能的電子密度有些許改變,證明了該雙金屬單原子體系在光催化過程中協同動態(tài)光電子的遷移轉移;原位紅外傅里葉變換光譜實驗結果表明,這種穩(wěn)定的銅鉑雙單原子體系有利于促進催化還原反應中中間體產物的加氫過程,對終產物的解離和釋放有明顯的促進作用,從而提高光催化還原CO2反應的活性和選擇性.