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光电催化CO2还原是获得太阳能燃料的重要方式,多年来受到科研工作者的广泛关注。由于CO2在水中溶解度较低并伴随有产氢副反应,导致目前以水为介质的光驱动CO2还原的效率和选择性都无法令人满意,而基于过渡金属的分子催化剂具有结构明确、性能可调等优点,已经在均相CO2还原中展现出出色的性能,因此将分子催化剂和窄带隙p-型半导体相耦合来构建杂化光阴极是一种非常值得尝试的策略。

鉴于分子催化剂在光阴极表面的修饰方式对光生载流子的传递有着重要的影响,大连理工大学精细化工国家重点实验室孙立成院士团队报道了一种可用于制备高效高选择性CO2还原光阴极的新型催化剂负载方式。该策略以Si基半导体作为吸光基底并在其表面覆盖大比表面积的多壁碳纳米管,进而通过π-π堆积作用负载具有平面结构的四联吡啶钴CoII(BrqPy)等分子催化剂,通过这种组装方式得到的光阴极在水溶液中实现了CO2到CO的高效转化。

光电催化实验结果表明,在CO2饱和KHCO3水溶液中和-0.11 V vs. RHE的偏压下,电极Si|TiO2|CNT@CoII(BrqPy)的光电流密度(100 mW cm-2,AM 1.5 G)在2小时内稳定维持在1.5 mA cm-2,生成CO的法拉第效率和选择性均达到100%。延长光电催化测试时间至10小时,获得了近60000的TONco。该体系的优势在于碳纳米管作为负载平台使分子催化剂高度分散于光电极表面,其活性和选择性在多相体系中得以充分发挥,为实现太阳能驱动的高效高选择性CO2还原提供了一条新颖途径。

相关研究成果于近期发表于Angew. Chem. Int. Ed.文章的第一作者为大连理工大学精细化工国家重点实验室博士生温志兵,通讯作者为李斐教授。该工作得到了国家自然科学基金的支持。

来源:大连理工大学

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201086

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