光催化测试系列6

光催化测试系列6-几类光催化CO₂还原测试的机理

    本期内容从光催化CO₂还原、TiO₂光催化CO_2还原和Ga₂O₃光催化CO₂还原出发，简单介绍几类半导体催化剂光催化还原CO₂的机理

（1）光催化CO₂还原的机理

光催化反应中的催化剂大多属于半导体材料，金属材料中导带与价带相连，不存在禁带。而半导体材料不同于其他金属材料的是其导带与价带是有空隙的，中间是禁带。当有能量大于或等于催化剂禁带宽度的光照照到催化剂表面时，价带上的电子就会被激发，越过禁带并到达导带，在价带上产生电子一空穴对。光催化CO₂还原主要包括CO₂在催化剂表面的吸附和CO₂与光生电子一空穴之间的转化两个过程。空穴还要留下一部分与H₂O反应，产生部分氢质子，提供给CO2还原过程，进而达到使CO₂还原成为烷醇酸等的目的。如图1所示，导体光催化剂光催化还原CO₂机理分为三个过程：（1）光生电子和空穴的产生过程；（2）光生电子/空穴对和吸附物反应的过程；（3）强氧化和强还原的基团与接触的CO₂分子发生反应。

图1 半导体光催化剂光催化还原CO2机理

（2）TiO₂光催化CO₂还原

TiO₂作为催化剂优点很多，比如无毒，活性高，耐光腐蚀等，在光催化中被越来越深入的广泛研究，但是TiO₂对光的利用率低。

（3）Ga₂O₃光催化CO₂还原

Ga₂O₃在光催化方面有很好的光催化活性，在光解水、降解有机物和CO₂还原中都表现的特别突出。Ga₂O₃是一种热力学与化学都稳定的半导体材料，如果与其他材料进行复合，做成异质结，光催化性能更佳。比如GaP/Ga₂O₃、SnO2/Ga₂O₃已经被成功合成出来。Ga₂O₃在

不同的制备方法下，制备出的样品具有不同的结构与形貌。比如利用电弧放电法制备出Ga₂O₃纳米棒，物理沉积法制备出纳米片层等。将ZnGa₂O₄和Ga₂O₃做成异质结，由于ZnGa₂O₄是一种光催化材料，两者优势互补，将光催化效率达到最高。通过固相烧结法使ZnGa₂O₄纳米晶生长在Ga₂O₃纳米片上，异质结的价带电位比H₂O/H⁺的高，而导带电位比CO₂/CH₄的低。