光催化CO2还原测试

光催化剂：

• 作用： 吸收光子（光能），产生光生电子和光生空穴。

• 常用类型：

  • 半导体材料： 最主流，如 TiO₂（二氧化钛，研究最广泛）、g-C₃N₄（石墨相氮化碳）、CdS（硫化镉）、MOFs（金属有机框架）、COFs（共价有机框架）、金属氧化物（如 ZnO, WO₃）、金属硫化物（如 ZnIn₂S₄）、钙钛矿材料等。

  • 关键特性：

    • 合适的带隙： 能吸收可见光（而非仅限于紫外光）。

    • 导带位置： 足够负（还原能力强），能够提供电子还原 CO₂（CO₂ 还原为不同产物需要不同的还原电位）。

    • 价带位置： 足够正（氧化能力强），能够氧化牺牲剂或水。

    • 高效的光生电荷分离和迁移： 避免电子和空穴快速复合。

    • 丰富的表面活性位点： 有效吸附并活化惰性的 CO₂ 分子。

    • 良好的稳定性： 抵抗光腐蚀和化学腐蚀。

光源：

• 通常使用氙灯（模拟太阳光谱）、LED 灯（特定波长）或直接利用太阳光。

• 光强和波长影响催化剂的激发效率和反应速率。

反应物：

• CO₂： 主体反应物，需要被活化（通常吸附在催化剂表面）。

• 还原剂（牺牲剂）/ 水：

  • 牺牲剂： 如三乙醇胺、甲醇、乙腈水溶液等。它们被光生空穴氧化，消耗空穴，促进电子用于还原 CO₂。优点是效率通常较高（避免了水氧化的难度），但牺牲剂不可持续。

  • 水： 理想且可持续的还原剂（质子 H⁺ 来源）。光生空穴氧化水产生 O₂ 和 H⁺，光生电子利用 H⁺ 还原 CO₂。这更接近光合作用，但水氧化反应缓慢且竞争激烈（常与 CO₂ 还原竞争电子），效率通常较低。

反应机理（简化）：

1. 光吸收： 光催化剂吸收光子（hv），价带电子跃迁到导带，产生光生电子和光生空穴。

2. 电荷分离与迁移： 光生电子和空穴分别迁移到催化剂表面的不同活性位点（理想情况下）。

3. 还原反应： 迁移到还原位点的光生电子将吸附的 CO₂ 分子逐步还原成目标产物（如 CO, CH₄, HCOOH 等）。CO₂ 还原是多电子过程，涉及多个质子耦合步骤，路径复杂。

4. 氧化反应：

   • 使用牺牲剂时：空穴氧化牺牲剂（如 TEOA → TEOA⁺ + e⁻）。

   • 使用水时：空穴氧化水产生氧气和质子。

5. 产物脱附： 生成的产物从催化剂表面脱附