南京大学闫世成课题组丨ACS Catalysis：直接分解氧化物分子供氧

【引言】

保护环境是实现人类社会可持续发展的基本前提，消除气态氧化物分子污染物，如CO_x (CO₂，CO)，SO_x (SO₂，SO₃)，NO_x (NO，NO₂) 等，对构建和谐生态环境具有重要意义。传统的氧化物分子转化技术，需要使用还原剂和昂贵的贵金属催化剂，因而成本和能耗较高。光催化利用太阳光激发半导体材料产生电子-空穴对驱动氧化还原反应，被认为是一种潜在的低成本、低能耗的催化反应技术。然而，由于氧化物分子通常是热力学稳定的，这导致直接分解这一类分子为单质十分困难，如何抑制中间产物逆反应过程是实现氧化物分子分解的关键所在。

【成果简介】

近期，南京大学现代工程与应用科学院闫世成课题组报道了一种利用光致缺陷辅助直接分解氧化物分子产生氧气的反应途径，相关工作以Oxygen-Vacancies Activated CO₂ Splitting over Amorphous Oxide Semiconductor Photocatalyst为题发表在美国化学会催化期刊ACS Catalysis杂志上(ACS Catal. 2018, 8, 516−525)。该反应利用光腐蚀反应，通过光生空穴与氧化物半导体材料中的O原子反应产生氧缺陷，以活化、捕获目标气体分子中的O原子。因氧化物分子中的氧原子被催化剂晶格氧空位捕获而有效抑制了逆反应过程，并因光生空穴的持续性氧化而释放O₂；光生电子将目标分子CO_x，SO_x，NO_x中的C、S和N物种还原为相应的C、S和N₂。

【图文导读】

图1 光催化分解CO₂反应机理示意图

图2 样品EPR及紫外可见吸收光谱

(a) 样品不同光照时间的室温EPR谱；

(b) 样品不同光照时间的紫外可见吸收谱。

图3 CO₂分解的实验和理论证据

(a) 样品分别在CO₂环境和真空条件下光照48h的室温EPR谱；

(b) 样品在C¹⁸O₂ 和¹³CO₂光照下的二次离子质谱；

(c) 原样及其在CO₂环境下光照48h的NMR谱；

(d) CO₂吸附在样品表面的电荷密度差异。

图4 样品产碳量、量子效率及反应机理

(a) 光致氧空位浓度与碳产率关系；

(b) CO₂分解反应量子效率；

(c) 光催化材料的能级位置与CO₂分解能量需求；

(d) 分子分解反应经历了两个光反应与两个暗反应步骤。

【小结】

本研究利用光腐蚀反应产生氧空位以捕获和活化气体氧化物分子，将其直接分解产生氧气。这一反应途径所需能量消耗较低，并且可以实现持续性光照分解气态分子产O₂，是一种理想的密闭空间内移除气态氧化物分子供氧的技术，在太空探索（比如载人宇宙飞行器）、海洋探索（比如水下载人勘探）、民防工程以及大型公共密闭空间内的生态系统构建方面具有潜在的应用前景。

原文连接：Oxygen-Vacancy-Activated CO₂ Splitting over Amorphous Oxide Semiconductor Photocatalyst

本文由材料人特约作者吴禹翰邀请，闫世成课题组撰稿，特此感谢。