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光催化CO2还原反应的性能受光催化材料的组成、表面状态、微结构、光吸收性能以及实

光催化CO2还原反应的性能受光催化材料的组成、表面状态、微结构、光吸收性能以及实验条件等多方面因素的影响,这一点已被许多学者所接受。   上述研究结果表明在SrCO3/HPJs复合材料中存在着多种因素对光催化CO2还原性能产生显著的影响。第一个因素是比表面积,SrCO3/HPJs系列复合材料比单纯的TiO2拥有更大的比表面积。   随着水热反应溶液中Sr2+的引入,得到产物的板钛矿TiO2由准纳米立方块状逐渐变为细长纳米棒状,同时还生成了锐钛矿超细纳米颗粒,获得了更大的比表面积。这意味着更多可能的吸附与反应位点,从而成为光催化性能提升的一个因素。   其次,实验结果表明高比表面积并不是导致光催化CO2还原性能提升的唯一因素,由于复合材料中同时存在板钛矿和锐钛矿两种TiO2晶相,二者能带结构存在差异,导带位置存在能级差,能形成TiO2异相结,更有利于光生载流子的分离,抑制电荷复合,最终实现了样品的光催化CO2还原性能的提升。   上述两个因素尚不能完全解释SrCO3/HPJs复合材料在光催化CO2还原过程中的表现。如酸洗产物性能的大幅下降、光催化材料在产物选择性上的显著改变等。   原位红外漫反射吸收光谱分析结果表明,尽管SrCO3不具有作为光催化剂或助催化剂的能力,但其负载在TiO2表面确实能提高TiO2的光催化CO2还原性能,特别是能通过提高材料的CH4产物选择性来获得更高的总光催化活性。   这可能是由于SrCO3能提高材料对CO2和H2O的吸附和活化能力,改变CO2和H2O在光催化材料表面的吸附形式,形成更多的HCO3-,从而更有利于CO2和H2O最终转变为CH4。因此。   可以推断SrCO3作为一种协同催化剂在光催化CO2还原过程中不仅能提高光催化材料的光催化性能,还会极大地改变光催化反应的产物选择性,具有重要的应用前景。   调控水热反应条件合成了SrCO3修饰板钛矿/锐钛矿TiO2异相结(HPJs)基复合材料(SrCO3/HPJs)。   考察了TiCl4水热反应液中不同Sr2+摩尔比对产物的形貌与微结构、晶相组成、光吸收性能、CO2/H2O吸附与活化行为,光催化CO2还原性能与产物选择性等的影响,并基于相关研究结果深入探讨了比表面积、TiO2异相结和SrCO3修饰等对复合材料的光催化CO2还原性能和产物选择性的增强机理。获得了以下研究结果:   (1) 在TiCl4水热反应液中引入Sr2+对产物的形貌和组成产生了重要的影响。随着Sr2+摩尔比的增加,准纳米立方块状板钛矿TiO2颗粒逐渐转变为细长的纳米棒状结构,同时还生成了锐钛矿TiO2超细纳米颗粒;   Sr2+最终以SrCO3的形式修饰在材料表面,且未掺入TiO2晶格。SrCO3/HPJs复合材料比单纯的TiO2具有更高的比表面积,同时还形成了板钛矿/锐钛矿TiO2异相结。   (2) 与单纯的TiO2相比,SrCO3/HPJs复合材料在CO2还原过程表现出更优的性能,总光催化活性和CH4产物选择性均获得极大的提高。   其中,1.0%SrCO3/HPJs复合材料具有最佳的光催化CO2还原性能,其CO/CH4产率为2.64/19.66mmolg-1h-1,对应的总光催化活性(TCEN)为162.6mmolg-1h-1,与单纯TiO2的TCEN相比提高了11.3倍。   (3) 在SrCO3/HPJs复合材料中存在三种可能引起性能改善的因素,分别为更大的比表面积(提高接触面积和活性位点)、TiO2异相结(促进载流子分离)和独特的表面性质(促进CO2和H2O等反应物的表面吸附与活化)。   其中,SrCO3修饰所引起的表面吸附性质的变化是三者中最为关键的因素。SrCO3提高了复合材料对CO2和H2O的吸附与活化能力,同时还导致在材料表面形成更多的HCO3-,从而提高材料的光催化活性和CH4产物选择性。   因此,SrCO3作为一种协同催化剂不仅能提高材料的光催化CO2还原性能,还极大地改变了产物选择性,具有重要的应用前景。   综上所述,在水热反应溶液中引入Sr2+成功地合成了SrCO3修饰板钛矿/锐钛矿TiO2异相结(HPJs)基复合材料(SrCO3/HPJs),在将其用于光催化CO2还原时展现出了优异的性能。   与单纯的TiO2相比,SrCO3/HPJs复合材料具有更高的比表面积,可以提供更多的反应位点。   此外,TiO2异相结的形成极大地提升了体系光生载流子的分离效率,而表面修饰的SrCO3可作为协同催化剂提高材料的CO2和H2O吸附与活化能力,导致在材料表面形成了更多的HCO3-,从而提高了CO2还原体系的光催化活性和CH4产物选择性。