Accelerating Charge Separation and CO2 Photoreduction in Aqueous Phase under Visible Light with Ru Nanoparticles Loaded on Ga-Doped NiTiO3 in a Batch Photoreactor

材料科学 光催化 水溶液 兴奋剂 纳米颗粒 可见光谱 催化作用 电荷(物理) 化学工程 相(物质) 光化学 光电子学 纳米技术 物理化学 有机化学 工程类 物理 化学 量子力学
作者
Aloka Kumar Sahu,Sushant Yadav,Debarun Banerjee,Thomas E. Rufford,Sreedevi Upadhyayula
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (6): 7057-7069 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.3c15915
摘要

Titanate perovskite (ATiO3) semiconductors show prospects of being active photocatalysts in the conversion of CO2 to chemical fuels such as methanol (CH3OH) in the aqueous phase. Some of the challenges in using ATiO3 are limited light-harvesting capability, rapid bulk charge recombination, and the low density of catalytic sites participating in CO2 reduction. To address these challenges, Ga-doped NiTiO3 (GNTO) photocatalysts in which Ga ions substitute for Ti ions in the crystal lattice to form electron trap states and oxygen vacancies have been synthesized in this work. The synthesized GNTO was then loaded with Ru nanoparticles to accelerate charge separation and enable excellent CO2 photoreduction activity under visible light. CO2 photoreduction was conducted in a batch photoreactor charged with a 0.1 M NaHCO3 aqueous solution at room temperature and a 3.5 bar pressure using a 1.0 wt % Ru-GNTO photocatalyst to yield methanol at a rate of 84.45 μmol g-1 h-1. A small amount of methane was produced as a side product at 21.35 μmol g-1 h-1, which is also a fuel molecule. We attribute this high catalytic activity toward CO2 photoreduction to a synergistic combination of our novel heterostructured 1.0 wt % Ru-GNTO photocatalyst and the implementation of a pressurized photoreactor. This work demonstrates an effective strategy for metal doping with active nanospecies functionality to improve the performance of ATiO3 photocatalysts in valorizing CO2 to solar fuels.
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