基本信息
- 项目名称：
- Bi2S3/CdS在可见光下催化还原CO2成甲醇的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目首次尝试利用非TiO2基的Bi2S3/CdS多孔纳米复合材料在可见光条件下光催化CO2和H2O合成甲醇。结果表明，Bi2S3对可见光的响应程度及其光催化活性都优于CdS，而经过Bi2S3的修饰的CdS对可见光的响应程度及光催化性能都大大提升。在可见光照射下，光催化剂Bi2S3/CdS光催化生成的甲醇含量为613μmol/g，并且当CdS修饰15%的Bi2S3时催化效果最佳。
- 详细介绍：
- 近年来，由于二氧化碳排放量的增加而形成的“温室效应”已成为严重的全球性环境问题。在目前提出的解决方案中，最有前景的方法之一是利用光催化材料在可见光下将CO2高效转化为有机燃料资源，如甲醇等碳氢化合物燃料，从而实现含碳材料的循环使用。本作品以相应的盐类和硫脲为反应原料，通过水热法合成光催化剂Bi2S3、CdS和Bi2S3/CdS，首次尝试利用非TiO2基的Bi2S3/CdS多孔纳米复合材料在可见光条件下光催化CO2和H2O合成甲醇。结果表明，Bi2S3对可见光的响应程度及其光催化活性都优于CdS，而经过Bi2S3的修饰的CdS对可见光的响应程度及光催化性能都大大提升。在可见光照射下，光催化剂Bi2S3/CdS光催化生成的甲醇含量为613μmol/g，并且当CdS修饰15%的Bi2S3时，生成甲醇含量大约为单纯的CdS催化生成甲醇含量的三倍或者Bi2S3的两倍。该研究通过将两种具有不同还原电位及禁带结构,且均不稳定的硫化物半导体光催化剂复合,利用其异质结结构延长光生电子和孔穴的存活时间，从而大大提高了复合体系的光催化性能。该项目属国家“十二五”期间我国低碳能源及环保的重点发展领域，具有广阔的应用前景，研究成果不仅可以直接应用于环境保护和缓解能源危机，而且所合成的甲醇可以与燃料电池等耦合从而实现太阳能到电能的转化。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 环境和能源成为21世纪人类面临和必须解决的两大难题。一方面，全球温室效应导致各种自然灾害频繁发生；另一方面，不可再生的燃料资源日益匮乏。因此，人工模拟光合作用备受关注。本项目主要想借助太阳能的作用，激发半导体可见光催化剂，并凭借可见光催化作用将CO2和H2O转化成CH3OH 或CH4等燃料资源，在解决全球暖化及化石燃料枯竭等问题的同时，又使二氧化碳以资源化形式循环利用，具有较大的战略意义.
科学性、先进性及独特之处
- 本项目首次尝试利用非TiO2基的Bi2S3/CdS多孔纳米复合材料在可见光条件下光催化CO2和H2O合成甲醇。把Bi2S3等不稳定的、比表面积小的高可见光响应性的催化剂负载到CdS上，进而研制出高比表面积及高催化活性的新型多孔半导体复合可见光催化剂。本课题CdS簇的研究、纳米多孔材料复合技术及光催化还原CO2制备甲醇技术三者结合应用于环境保护及缓解能源危机，有很强的原始创新性。
应用价值和现实意义
- 环境和能源为21世纪人类面临和必须解决的两大难题，人工模拟光合作用备受关注。本作品借助太阳能的作用，激发半导体可见光催化剂Bi2S3/CdS，并凭借可见光催化作用将CO2和H2O转化成CH3OH 或CH4等燃料资源，在解决全球暖化及化石燃料枯竭等问题的同时，又使二氧化碳得以资源化形式循环利用，具有较大的战略意义
学术论文摘要
- 以相应的盐类和硫脲为反应原料，通过水热法合成光催化剂Bi2S3、CdS和Bi2S3/CdS，并探讨了其在可见光条件下光催化二氧化碳还原成甲醇的性能。结果表明，Bi2S3对可见光的响应程度及其光催化活性都优于CdS，而经过Bi2S3的修饰的CdS对可见光的响应程度及光催化性能都大大提升。在可见光照射下，光催化剂Bi2S3/CdS催化生成的甲醇含量为613μmol/g，并且当CdS修饰15%的Bi2S3时，生成甲醇含量大约为单纯的CdS催化生成甲醇含量的三倍或者Bi2S3的两倍。
获奖情况
- 本作品曾在2010年10月30~31日于湖南长沙召开的第六届全国化学工程与生物化工年会上发表，并做了相关的主题报告，已投稿。 于2011年3月获华南农业大学“丁颖杯”特等奖
鉴定结果
- 项目符合我国“十二五”规划低碳能源理念，具有较大的现实意义。
参考文献
- 自日本学者Fujishma和Honda[4]在1972年首先发现n型半导体电极上水的光电催化分解作用及1979年Inoue[5]等人首先由光化学反应将水和CO2 反应成HCOOH，HCHO，CH3OH 和CH4 等之后近30年来，国际上有不少人对这种利用太阳能催化CO2的模仿自然的化学反应（CO2/水）展开了大量的研究，研究主要集中在两个方向：TiO2基光催化材料及非TiO2基光催化材料。 本项目提出在低温条件下，并采用水热法或溶剂热法及溶胶—凝胶等技术使纳米半导体Bi2S3簇催化剂负载在CdS上，在提高其催化还原效率的同时减缓其光分解速率，从而提高催化剂的重复利用率。 [1]胡秀莲.中国温室气体减排技术选择及对策评价[M].北京：中国环境科学出版社,2001. [2] Zouni A, Witt HT, Kern Jan, et al. Nature,2001,409 (6821): 739-743. [3] Kristina NF, Tina MI. Science，2004， 303（5665):1831-1838. [4] Fujishima A,Honda K. Nature, 1972,238(5358):37-38. [5] Inoue T, Fujishima A, Konishi S, et al. Nature,1979, 277(5698):637-638. [6] Anpo M, Yamashita H, Ikeue K, et al. Catalysis Today,1998,44(1-4):327-332. [7] Tseng IH, Chang WC, Wu JCS（吴纪圣）. Applied Catalysis B-Environmental,2002,37(1):37-48.
同类课题研究水平概述
- 自日本学者Fujishma和Honda在1972年首先发现n型半导体电极上水的光电催化分解作用及1979年Inoue等人首先由光化学反应将水和CO2 反应成HCOOH，HCHO，CH3OH 和CH4 等之后近30年来，国际上有不少人对这种利用太阳能催化CO2的模仿自然的化学反应（CO2/水）展开了大量的研究，研究主要集中在两个方向：TiO2基光催化材料及非TiO2基光催化材料。 在TiO2基光催化材料光催化还原CO2方面，研究相对较多，且主要是在紫外光条件下进行还原反应，以日本大阪府立大学的Anpo及台湾大学吴纪圣等人的研究工作较具代表性。 在非TiO2基光催化材料方面，陈崧哲所研究的复合光催化剂（Cu/TiO2-NiO、Cu/ZnO-NiO及Cu/WO3-NiO）也表现较好的光催化还原CO2的性能。 综上所述，前人的这些研究表明，以TiO2为代表的宽禁带半导体光催化剂，对紫外光有较好响应性，尽管可以采用有机、无机或两者共同掺杂等改性措施或形成纳米异质结等手段提高其对可见光的利用率，但是对于CO2的光催化还原反应体系来讲，改性TiO2的可见光催化还原效率仍非常低。与此同时，值得注意的是，近几年来出现了许多具有良好可见光响应性的非TiO2基新型可见光催化剂，如:半导体硫簇类（如CdS、ZnS、GeSe、SnS及GeS等）、钽酸盐类InMO4 (M=V5+,Nb5+,Ta5+)、(Ga1-xZnx)(N1-xOx)固溶体及具有铁磁性质的钙钛矿型光催化剂（如BiFeO3）等。 目前存在的问题是：多孔半导体硫簇虽然禁带宽度较窄, 可见光波就能激发它，能很好利用太阳能，但它对光比较敏感，容易发生腐蚀，极不稳定，因此要求在高效完成CO2光催化还原的同时，还需要解决其光分解问题；而新的一类半导体复合光催化剂InMO4及(Ga1-xZnx)(N1-xOx) 固溶体是往往是经高温培烧制得的，因而其颗粒比较大，比表面积较小（<0.5 m2/g），使其催化活性较低。为解决此问题，本项目提出在低温条件下，并采用水热法或溶剂热法及溶胶—凝胶等技术使纳米半导体Bi2S3簇催化剂负载在Bi2S3，在提高其催化还原效率的同时减缓其光分解速率，从而提高催化剂的重复利用率。
