SiC修飾電極的制備及其光電協(xié)同催化還原CO2的研究.pdf

1、溫室效應(yīng)和能源危機是困擾人類發(fā)展的兩大問題。目前，由于化石燃料的大量燃燒釋放出的CO2，使得大氣中吸熱性強的溫室氣體CO2的濃度不斷升高，加劇了溫室效應(yīng)，引起了冰川融化、海平面上升等環(huán)境問題。因此降低CO2的排放量，合理有效利用CO2這一潛在碳資源，構(gòu)建綠色環(huán)保可再生新能源體系成為研究熱點。在CO2的處理手段中，光電催化還原 CO2技術(shù)以水為氫源、太陽光為動力，是潔凈、環(huán)境友好型技術(shù)，成為CO2還原領(lǐng)域的熱點之一。而光電催化還原CO2的

2、核心是制備出性能優(yōu)異的光電催化電極，一方面，利用電極的光催化活性，在光照條件下產(chǎn)生光電子，可以減輕外界能量的輸入，降低能耗；另一方面，利用電極的電催化活性，從而提高還原產(chǎn)物的選擇性和可控性。
　　SiC因為其導(dǎo)帶電勢幾乎最負(fù)，具有優(yōu)異的物理性質(zhì)，其納米材料又表現(xiàn)出顯著的量子尺寸效應(yīng)，即導(dǎo)帶和價帶變成分立的能級，帶隙變寬，導(dǎo)帶電位變得更負(fù)，而價帶電位變得更正。因此，當(dāng)有足夠能量的光輻射時，SiC受激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對具有很強的氧化

3、和還原能力。不過由于其自身性質(zhì)跟摻硼金剛石類似，雖然具有很寬的電勢窗口，但是自身的電催化性能很差。而且通常的SiC納米材料是通過較為苛刻的方法得到的粉狀顆粒，或是在一些導(dǎo)電基體上非原位生長得到的基體與SiC之間結(jié)合不牢固的材料。而摻雜Cu之后不僅可以很好地彌補SiC導(dǎo)電性差的不足還可以提高催化還原二氧化碳的光活性，進而提高了還原二氧化碳產(chǎn)物到甲醇的選擇性。
　　我們首先采用兩步金屬輔助化學(xué)刻蝕法制備出Si NWs。根據(jù)SEM表征可

4、以發(fā)現(xiàn)制備的Si NWs長度規(guī)整有序，取向一致，線長約3μm，直徑約10nm。而且其禁帶寬度為1.25eV，說明波長小于等于992nm的光可以激發(fā)。同時Si NWs電催化還原CO2的凈電流密度大于零，說明其具備相當(dāng)?shù)碾姶呋€原性能。光能引入后，光電條件下的凈電流密度明顯高出單獨電條件下的凈電流密度，表明具備優(yōu)異的光電催化還原 CO2性能。光電催化還原 CO2的主產(chǎn)物是甲醇，當(dāng)反應(yīng)進行6 h后，最大甲醇產(chǎn)量達(dá)到213μmol·L-1·cm

5、-2。
　　碳熱還原法制備的SiC NWs結(jié)構(gòu)完全繼承于基底Si NWs，且線長約1μm，直徑約10nm，與基底結(jié)合緊密，解決了基體與SiC之間結(jié)合不牢固的缺點。制備得到的SiC NWs的禁帶寬度為2.28 eV，其XRD圖譜與JCPDS卡片29-1129相一致，是3C-SiC。將其應(yīng)用于電催化還原 CO2發(fā)現(xiàn)其過電位為-0.68 V，說明該電極具有一定的電催化還原性能。當(dāng)光照引入后，反應(yīng)起始電位由-0.68 V提前到-0.6 V

6、，降低了過電位80 mV，表明其對CO2具有優(yōu)異的光電催化性能。光電催化還原CO2的主產(chǎn)物為甲醇，當(dāng)持續(xù)反應(yīng)6 h后，SiC NWs上甲醇的產(chǎn)量為440.52μmol·L-1·cm-2，大于單獨光催化和電催化還原的簡單加和367.01μmol·L-1·cm-2，體現(xiàn)出優(yōu)異的光電協(xié)同效果，此時其法拉第電流效率最大，為64.55％。
　　選擇脈沖沉積法在SiC NWs上沉積Cu原子，用以彌補SiC導(dǎo)電性差的不足并提高CO2還原產(chǎn)物到甲

7、醇的選擇性。通過SEM表征可知，在SiC NWs材料表面沉積的Cu原子呈現(xiàn)光滑的球形，最大直徑約為900nm。制備得到的SiC NWs/Cu復(fù)合電極與SiC NWs相比，禁帶寬度降低了0.52eV，同時制備的SiC NWs/Cu的氧化還原電流最大，阻抗值最小，其電子運輸能力強，光電性能優(yōu)異。當(dāng)反應(yīng)6 h后光電催化還原CO2甲醇的產(chǎn)量可以達(dá)到551μmol·L-1·cm-2，是SiC NWs催化還原CO2甲醇產(chǎn)量的1.25倍，是Si NW