背景介绍
目前，世界美国的能源供应主要依赖煤炭、石油和天然气等化石燃料，约占全球的80 总能量。化石燃料的过度消耗导致能源危机和大量的废气，如CO2、SO2、NOx等。它是碳源燃烧产生的主要温室气体类型之一。温室效应将导致全球变暖和严重的气候问题，从而危及全球生态平衡和人类健康。如何有效控制大气中的CO2浓度不仅是一个重大的环境问题，也是一个重要的政治和经济问题。考虑到CO2是一种可利用的碳资源，将过量的CO2转化为碳基高价值化学品是解决上述挑战的实用方案。
成就简介
江苏大学研究组与苏州大学康教授、瑞士斯威本理工大学孙成华教授合作，报道了一种用微波法合成的核-卫星结构Mn3O4/FeNbO4II异质结光催化剂。所制备的Mn3O4/FeNbO4光催化剂在光催化CO2还原反应中表现出明显增强的催化性能，其中CH4产率分别是FeNbO4和Mn3O4的1.96倍和9.81倍。这项工作提供了一个有前途的策略，设计一个有效的光催化剂减少二氧化碳。
图形指南
图1 (a)合成Mn3O4/FeNbO4的流程图，(b)Mn3O4/FeNbO4的TEM图像和(c)mn3o 4/fenbo 4的HRTEM图像，以及(d)TEM和相应的mn3o 4/fenbo 4的EDX映射图像。
图1首先用微波法合成FeNbO4，然后在FeNbO4上原位生长Mn3O4(图1(a))。透射电子显微镜图像(图1(b))显示Mn3O4纳米立方体负载在FeNbO4的表面上，形成核-卫星结构。此外，HRTEM图像(图1(c))也表征了FeNbO4和Mn3O4之间的界面，表明异质结的形成。EDX映射表征(图1(d))证实了Mn3O4颗粒被均匀地修饰在FeNbO4的表面，这证实了具有核-卫星结构的FeNbO4和Mn3O4异质结被成功合成。
图2(a-d)fenbo 4(蓝线)和Mn3O4/FeNbO4(红线)的瞬态光电压(TPV)曲线。Tmax是达到最大光电压的时间，s是在tmax下可以从样品中提取的最大电荷，是时间衰减常数。为了研究Mn3O4/FeNbO4异质结界面的电荷转移动力学，进行了TPV测量和表征。通过分析激发电子的衰减性能，研究了催化剂表面的电子转移行为。根据峰强度图(图2(a))，Mn3O4/FeNbO4的峰强度是FeNbO4的2.15倍，表明复合光催化剂表面的光电荷相对浓度高于原始光催化剂。如图2(b)所示，与纯催化剂相比，Mn3O4/FeNbO4异质结表面光电荷达到最大值所需的时间缩短。根据图2(c)-2(d)，可以从催化剂中提取的最大充电量增加了近2倍。发现Mn3O4/FeNbO4中的电子-空穴复合速率()比FeNbO4中的长，表明Mn3O4/FeNbO4异质结能有效抑制光生电子-空穴对的复合，从而提高光催化活性。
图3。(a)每种催化剂反应2.5 h后的CH4和CO输出，(b)Mn3O4/FeNbO4每2.5 h的光催化CO2还原循环试验，(c)Fenbo4、 mn3o 4和Mn3O4/FeNbO4的瞬态光电流，(d)Fenbo 4和mn3o 4/Fenbo 4的电化学阻抗谱。图3显示了在没有牺牲剂的情况下，FeNbO4、Mn3O4和Mn3O4/FeNbO4复合光催化剂在水相中的模拟太阳能光催化CO2RR测试的产品结果。在图3(a)中，与fenbo 4(7.071 m olg-1)和mn3o 4(1.414 m olg-1)的CH4产量相比，mn3o 4/fenbo 4(13.877 m olg-1)的CH4产量分别增加了1.96倍和9.81倍。经过5次循环稳定性测试(图3(b))，光催化活性没有明显下降，证明其具有良好的循环稳定性。如图3(c)和3(d)所示，Mn3O4/FeNbO4比原始的FeNbO4和Mn3O4具有更高的光电流响应和更低的传输电阻，从而提高了光催化活性。
图4。FeNbO4(a-e)和Mn3O4/FeNbO4(f-j)的HRTEM图像和相应的FFT模式、压缩/拉伸应变分布(xx、xy和yy)。(k)模拟太阳光驱动下Mn3O4/FeNbO4催化CO2还原的原位红外光谱。(1)mn3o 4/fenbo 4催化CO2光还原的机理。上述晶格应变分析表明(图4(a)-4(j))在FeNbO4上修饰Mn3O4后，复合物的结构应变更多，这使得光催化剂更有利于光催化CO2还原。为了进一步研究Mn3O4/FeNbO4光催化还原CO2的催化机理，采用原位FTIR分析了反应前后催化剂表面中间体和基团的变化。当向Mn3O4/FeNbO4反应体系中引入可见光时，可以观察到1562cm1Co32振动峰、1369cm1Co32振动峰和1389cm 1 HCO 3-三个峰，峰强度随光照时间的延长而增强。同时出现了一些新的峰，包括醛基(1022cm1)、甲酸酯基(1627cm1、1700cm1、1720cm1)和甲氧基(1071cm1、1108cm1、1165cm1)的振动峰，这意味着反应的不断进行和中间产物的不断积累。另外，1562cm1附近的主峰被认为是COOH*，COOH*峰的强度随着光照时间的延长而增强。结果表明，在CO2光催化还原过程中，COOH*是CO2转化为CO和CH4的关键中间体。甲氧基会与H2O反应生成CH4。此外，由于Mn3O4/FeNbO4异质结的存在，电荷被有效分离，Mn3O4会进一步俘获空穴，从而显著提高光活性。因此，通过开发Mn3O4/FeNbO4II异质结光催化剂，可以实现太阳能作用下载流子的高效分离和CO2的选择性还原，从而提高光催化活性。
作者简介
李海涛教授，江苏省特聘教授，江苏大学能源研究所教授、博士生导师。主要从事新型碳基功能材料的设计及其在催化、传感、清洁能源等领域的研究工作。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目等。他的主要研究成果发表在Angew等国际期刊上。化学。由…编辑里面的、先进能源材料、纳米研究等。被引用超过10，000次(谷歌学术)。许多文章被选为封面文章和ESI高被引文章。苏州大学教授康教授。主要研究方向为：以碳、硅量子点、团簇和金属/半导体纳米粒子为研究核心，致力于揭示介观体系中团簇、量子点和纳米粒子的表面化学、催化性质、光电化学性质及相关基本规律。构建纳米复合体系，设计其性质并调控其功能，以仿生催化、高效绿色催化、高效能量转换、太阳能光解水等仿生体系设计为目标。国家杰出青年科学基金获得者，国家万人计划科技创新带头人，科技部中青年科技创新带头人，英国皇家化学学会会员。作为第一作者或通讯作者在Science、J. Am等著名学术期刊发表学术论文200余篇。化学。社会主义者，Angew。化学。里面的由…编辑脱线。引用超过26000次。史文朋科技大学孙成华教授被授予终身副教授和澳大利亚未来学者奖。长期从事计算机辅助材料设计，基于密度泛函理论设计高性能催化剂，广泛应用于清洁能源和环境领域。至今已发表SCI论文200余篇，包括Nature、Nature Materials、j.am. chem.soc、angew chem.int.ed、adv. energy.mater等。引用次数超过19000次。
编辑：李倩
标签：MnCO2图