Toward High-Value Hydrocarbon Generation by Photocatalytic Reduction of CO2 in Water Vapor

光催化 催化作用 选择性 材料科学 化学 化学工程 光化学 无机化学 有机化学 冶金 工程类
作者
Naixu Li,Bingbing Wang,Yitao Si,Fei Xue,Jiancheng Zhou,Youjun Lu,Maochang Liu
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:9 (6): 5590-5602 被引量:200
标识
DOI:10.1021/acscatal.9b00223
摘要

Semiconductor crystals with well-defined morphology, porous nanostructure, and spatially separated active sites are attractive for use in photocatalysis. This paper describes a controlled synthesis of cake-like porous TiO2 photocatalyst with surface-localized doping of copper and cobalt by using a well-defined MIL-125(Ti) metal organic framework as template precursor. The series of the modified TiO2 photocatalysts present the improved activity for photocatalytic CO2 reduction with water vapor. It is found that 1%Cu-doped TiO2 shows an enhanced behavior for breaking C═O bonds. In this case, the outcomes are primarily CO and CH4, yielding up to 135.94 and 127.05 μmol, respectively, under the irradiation of simulated sunlight for 3 h. The performance can be further improved by incorporating trace cobalt. Besides the improved property for CO and CH4 production, the selectivity also shifts to high-value hydrocarbons (C2+). The yields for C2H6 and C3H8 can be up to 267.60 and 10.07 μmol, respectively, by using 0.02%Co-1%Cu/TiO2. Our in situ Fourier transform infrared spectra together with theoretical calculations indicate that efficient charge separation on copper and cobalt ions is achieved. This altered charge behavior leads to the generation and enrichment of methyl radicals on the surface of cobalt ions, giving rise to the production of C2+ hydrocarbons. This work demonstrates a vibrant catalyst platform for solar fuel generation by photocatalytic CO2 conversion in water.
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