First published: August 24, 2020
第一作者：Qian Wang
通訊作者：Erwin Reisner*
單位：英國劍橋大學(xué)
長期以來，人們一直在探索配位配合物來實現(xiàn)（電）化學(xué)CO2還原反應(yīng)（CO2RR），并且在均相溶液中報道了高選擇性和良好的耐久性。雜化系統(tǒng)在半導(dǎo)體表面使用固定化分子催化劑，這使得它們能夠在一系列溶劑中進(jìn)行包括水介質(zhì)在內(nèi)的有效的光催化。歸根結(jié)底，二氧化碳需要與豐富的能源（如水）的可持續(xù)氧化化學(xué)相結(jié)合，以滿足全球能源需求。因此，作者特別致力于開發(fā)獨立的混合光電化學(xué)（PEC）電池，這種電池還可以將二氧化碳與水氧化反應(yīng)耦合。然而，由于PEC反應(yīng)過程中pH梯度和IR下降，雜交PEC細(xì)胞存在放大問題。近日，英國劍橋大學(xué)Erwin Reisner教授課題組在國際頂級期刊Nature Energy上發(fā)表題為“Molecularly engineered photocatalyst sheet for scalable solar formate production from carbon dioxide and water”的研究工作。在本文，作者介紹一種將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為甲酸酯和O2的光催化劑片材，作為一種潛在的可擴(kuò)展的CO2利用技術(shù)。該技術(shù)將鑭和銠摻雜的SrTiO3（SrTiO3：La，Rh）和鉬摻雜的BiVO4（BiVO4：Mo）光吸收劑整合在一起，這些吸收劑由膦酸化的Co（II）雙（吡啶）催化劑和RuO2催化劑改性而成。該單片器件提供了0.08±0.01％的太陽能轉(zhuǎn)化率，甲酸的選擇性為97±3％。由于該設(shè)備以無線方式運行并使用水作為電子供體，因此它提供了使用基于分子的混合光催化劑實現(xiàn)可擴(kuò)展且可持續(xù)的CO2減少的通用策略。該文章第一作者為劍橋大學(xué)Qian Wang英國劍橋大學(xué)Erwin Reisner教授為本文通訊作者要點一：負(fù)載CotpyP的SrTiO3：La，Rh | Au | RuO2-BiVO4：Mo光催化劑片材。a，能量圖，描繪了光合作用CO2RR與水的氧化作用。給出了相對于pH 6.7的NHE的還原電位。b，通過顆粒轉(zhuǎn)移法制備的負(fù)載CotpyP的6 cm×5.7 cm的SrTiO3：La，Rh | Au | RuO2-BiVO4：Mo光催化劑片的照片。c–h，俯視圖：SEM-EDX元素映射圖像，顯示了鍶（d），鉍（e），鈷（f），釕（g）和金（h）的分布的疊加。要點二：負(fù)載CotpyP的SrTiO3：La，Rh | Au | RuO2-BiVO4：Mo片的光合作用在AM 1.5 G輻照下耦合CO2RR與水氧化。a，在負(fù)載CotpyP的SrTiO3：La，Rh | Au | RuO2-BiVO4：Mo薄板（?1 cm2）上產(chǎn)生光合作用HCOO-，O2，H2和CO的典型時間過程。b，使用12CO2 / H12CO3-（橙色線）和13CO2 / H13CO3-（綠色線）作為反應(yīng)物輻照6'h后，溶液的1H NMR光譜（D2O，500 MHz）。c，AQY對薄片上HCOO-產(chǎn)生的依賴性與入射光波長的關(guān)系，以及SrTiO3：La，Rh（綠線）和BiVO4：Mo（橙線）的漫反射光譜進(jìn)行比較。藍(lán)點表示系統(tǒng)在各種入射光波長下的AQY。誤差線表示入射波長，其全寬為最大值的一半，為15nm。F（R），Kubelka-Munk函數(shù)。反應(yīng)在室溫（298 K）的CO2氣氛（1 atm）下，在充滿CO2的KHCO3水溶液（0.1 M，pH 6.7）中進(jìn)行。要點三：| 負(fù)載CotpyP的SrTiO3：La，Rh | Au | RuO2-BiVO4：Mo光催化劑片材的活性輻照面積約為20 cm2，用于光合作用CO2RR和水氧化。a，用模擬陽光（AM 1.5 G，100 mW cm-2）照射的薄片照片。b，光合作用的CO2RR和紙張上的水氧化的時間過程。虛線是眼睛的指南。反應(yīng)在室溫（298 K）下，在CO2飽和的0.1 M KHCO3水溶液（180 ml，pH 6.7）中進(jìn)行。作者報道了一種混合原型光催化劑片材，該片材執(zhí)行光合作用CO2RR形成HCOO?，使用水作為電子供體，其選擇性為97±3％，STF為0.08±0.01％。由于固定化的無貴金屬分子催化劑對CO2RR的高選擇性以及半導(dǎo)體的水氧化能力和光收集能力的結(jié)合，可以實現(xiàn)此性能。當(dāng)前的無線和獨立設(shè)備將光作為唯一能源將甲酸生產(chǎn)與水氧化結(jié)合在一起，這在無線CO2轉(zhuǎn)換領(lǐng)域非常罕見，它在光合作用反應(yīng)中無需犧牲試劑即可顯示出高穩(wěn)定性，并具有可擴(kuò)展性與光催化活性。該發(fā)現(xiàn)克服了在光催化CO2 RR結(jié)構(gòu)中需要犧牲試劑的雜化光催化劑的障礙，并為研究通過其他光催化劑在這種Z-方案光催化劑片結(jié)構(gòu)中通過人工光合作用生產(chǎn)太陽能的其他分子催化劑提供了動力。盡管這里作者專注于甲酸（一種有前途的燃料和H2載體）的生產(chǎn)，但是將分子催化劑固定在光催化劑板上的組裝過程的簡單性使得將來可以探索用于各種光合作用和產(chǎn)物的各種催化劑。Molecularly engineered photocatalyst sheet for scalable solar formate production from carbon dioxide and waterhttps://www.nature.com/articles/s41560-020-0678-6
