催化学报 ›› 2025, Vol. 69: 58-74.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60183-X

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CuxP/g-C3N4异质结催化剂Cu和P双位点协同光催化C-C偶联制备C2H4

温东晓a, 王楠a, 彭嘉禾b, 真嶋哲朗a,c, 江吉周b,*()   

  1. a华中科技大学化学化工学院, 能量转化与存储材料化学教育部重点实验室, 湖北武汉 430074, 中国
    b武汉工程大学材料科学与工程学院, 国家磷资源开发利用工程技术研究中心, 绿色化工过程教育部重点实验室, 湖北武汉 430205, 中国
    c大阪大学科学产业研究所, 大阪, 日本
  • 收稿日期:2024-09-06 接受日期:2024-10-15 出版日期:2025-02-18 发布日期:2025-02-10
  • 通讯作者: 电子信箱: 027wit@163.com (江吉周).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(62004143);国家自然科学基金(21976063);湖北省重点研发计划(2022BAA084)

Collaborative photocatalytic C-C coupling with Cu and P dual sites to produce C2H4 over CuxP/g-C3N4 heterojunction

Dongxiao Wena, Nan Wanga, Jiahe Pengb, Tetsuro Majimaa,c, Jizhou Jiangb,*()   

  1. aKey Laboratory of Material Chemistry for Energy Conversion and Storage, Ministry of Education, School of Chemistry and Chemical Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China
    bKey Laboratory of Green Chemical Engineering Process of Ministry of Education, Engineering Research Center of Phosphorus Resources Development and Utilization of Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, Hubei, China
    cThe Institute of Scientific and Industrial Research (SANKEN), Osaka University, Ibaraki, Osaka, 567-0047, Japan
  • Received:2024-09-06 Accepted:2024-10-15 Online:2025-02-18 Published:2025-02-10
  • Contact: E-mail: 027wit@163.com (J. Jiang).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(62004143);National Natural Science Foundation of China(21976063);Key R&D Program of Hubei Province(2022BAA084)

摘要:

作为石油化工的基本原料, 乙烯(C2H4)广泛应用于水果成熟、药物合成、高科技材料生产和生态农业实践. 传统的C2H4生产通常是通过煤基化学得到. 然而, 由于原料稀缺、生产工艺复杂、成本高、选择性差以及碳排放等问题, 煤基化学生产C2H4面临挑战. 作为一种可持续、低成本的替代方案, 光驱动二氧化碳还原反应(CO2RR)正成为一种将温室气体CO2转化为增值燃料的理想方法.然而, 尽管在过去的几十年里, 人们在光催化CO2RR方面做了较多努力, 但在实现其高活性和选择性方面仍存在巨大挑战. 在大多数已报道的光催化CO2RR中, 由于C1产物在动力学上的优势, 主要得到的通常为CO, CH4, HCOOH, HCOH等C1产物. 通过C−C耦合过程将CO2转化为C2+化合物, 不仅需要进一步将*CO中间体氢化, 更需要克服比形成“C−H”和“C−O”慢得多的动力学障碍和更高的能垒. 因此, 通过光驱动的CO2RR将CO2和H2O直接高活性和选择性的转化为高能量密度的C2H4燃料仍是一个重大挑战.

本文基于理论计算预测了Cu3P/g-C3N4异质结的光催化电子转移能力, 及其CO2和H2O分子的吸附能力, 并以NaH2PO2·H2O为磷源, 原位磷化Cu-g-C3N4制备了CuxP/g-C3N4异质结用于光催化CO2RR. 通过X射线粉末衍射、红外光谱和拉曼光谱证实了得到的CuxP/g-C3N4中的CuxP主要由Cu3P组成. X射线光电子能谱结果进一步证明了CuxP与g-C3N4的成功杂化. 扫描电镜、高分辨透射电镜、电感耦合等离子体-原子发射光谱、元素分析和氮气等温吸附-脱附曲线结果表明, 原位磷化制备的CuxP/g-C3N4为CuxP纳米颗粒与g-C3N4纳米片紧密结合并均匀分布在其表面的多孔纳米材料. 光催化CO2RR活性实验结果表明, 制备的CuxP/g-C3N4实现了协同光催化CO2和H2O转化生成CO和C2H4作为主要产物. 值得注意的是, 由CuxP/g-C3N4产生的C2H4产物的选择性达到了64.25%, 是CuxP(6.52%)的9.85倍. 同位素标记13CO2RR测试和对照实验结果表明, 这些产物主要来自CO2的还原, 而不是其他可能的碳源. 紫外-可见漫反射光谱结果表明, CuxP的复合使CuxP/g-C3N4在紫外可见-近红外光谱范围内具有较好的光吸收能力. 光电性能测试和时间分辨光致发光光谱结果表明, 复合型CuxP/g-C3N4异质结中光生载流子分离效率显著提高. 时间分辨荧光光谱、飞秒瞬态吸收光谱测试验证了CuxP/g-C3N4异质结中的超快速界面电子传输机制. g-C3N4导带上大部分光生e在超强的界面内建电场作用下超快的转移到CuxP的导带上, 增加了CuxP/g-C3N4异质结表面有效光生e的寿命, 促进了光催化CO2转化率的提高. 原位辐照X射线光电子能谱结果直接验证了在CO2RR过程中这些长寿命光生e从g-C3N4向CuxP的超快转移过程. 此外, H2O吸附实验证实了CuxP对H2O分子的强亲和力. 密度泛函理论计算结果表明, 这些被吸附的H2O分子在P位点裂解生成*H, 且g-C3N4的存在使杂化后的CuxP/g-C3N4具有适度的加氢能力, 促进了CO2RR过程中的多步加氢反应过程. 黑暗条件下的原位漫反射红外光谱结果为H2O和CO2分子的共吸附提供了直接证据. 在CuxP/g-C3N4光催化还原CO2过程中原位漫反射红外光谱检测到了*COOH, *CO, *CHO, *CH3O和*CHx吸附态中间体, 基于这些中间体, DFT计算优化后的CO2RR过程结果表明, 由于受g-C3N4影响和调制的不对称Cu和P双位点的存在, 使得在CuxP/g-C3N4表面生成的*CHO在能量上有利于C−C耦合形成*CHOCHO中间体, 该耦合的中间体可进一步接受激发的光生e和*H, 深度还原生成C2H4.

综上所述, 本文利用原位磷化策略制备了CuxP/g-C3N4异质结用于光催化CO2高选择性转化为C2H4. 结合实验和DFT计算结果详细阐明了CuxP/g-C3N4异质结催化剂在光反应(电子转移过程)和催化CO2RR反应(C-C偶联和氢化)过程中的机制. 该发现为开发基于CuxP的异质结催化剂通过光驱动CO2RR将CO2转化为C2+增值燃料提供了有价值的参考.

关键词: 光催化CO2还原, C-C偶联, 乙烯, CuxP/g-C3N4异质结

Abstract:

Light-driven CO2 reduction reaction (CO2RR) to value-added ethylene (C2H4) holds significant promise for addressing energy and environmental challenges. While the high energy barriers for *CO intermediates hydrogenation and C−C coupling limit the C2H4 generation. Herein, CuxP/g-C3N4 heterojunction prepared by an in-situ phosphating technique, achieved collaborative photocatalytic CO2 and H2O, producing CO and C2H4 as the main products. Notably, the selectivity of C2H4 produced by CuxP/g-C3N4 attained to 64.25%, which was 9.85 times that of CuxP (6.52%). Detailed time-resolution photoluminescence spectra, femtosecond transient absorption spectroscopy tests and density functional theory (DFT) calculation validate the ultra-fast interfacial electron transfer mechanism in CuxP/g-C3N4 heterojunction. Successive *H on P sites caused by adsorbed H2O splitting with moderate hydrogenation ability enables the multi-step hydrogenation during CO2RR process over CuxP/g-C3N4. With the aid of mediated asymmetric Cu and P dual sites by g-C3N4 nanosheet, the produced *CHO shows an energetically favorable for C−C coupling. The coupling formed *CHOCHO further accepts photoexcited efficient e and *H to deeply produce C2H4 according to the C2+ intermediates, which has been detected by in-situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy and interpreted by DFT calculation. The novel insight mechanism offers an essential understanding for the development of CuxP-based heterojunctions for photocatalytic CO2 to C2+ value-added fuels.

Key words: Photocatalytic CO2 reduction, C-C coupling, Ethylene, CuxP/g-C3N4 heterojunction