摘要
化石燃料的大量燃烧和经济发展使能源和环境问题日益严重。全球已经开始通过对二氧化碳（CO2）进行捕获、转换和利用来解决其过量排放引起的气候变化问题。将CO2人工转化为合成气、含氧化合物、甲烷和其他碳氢化合物可有效实现CO2的资源化利用，并响应“碳达峰、碳中和”的号召。先进催化材料的合理设计是提高人工光合作用还原CO2性能和实现实际应用的关键。层状双金属氢氧化物（LDH）是最有前途的CO2捕获和利用材料之一，独特的二维层状结构使其具有优异的物理化学性质，是一种极具前景的能源材料。针对常规LDH光催化剂普遍存在的光生电子-空穴复合率高、太阳能利用率低等问题，本文采取形貌控制、表面修饰、半导体复合和以LDH为前驱体等策略修饰和优化LDH，有效提升了LDH光催化CO2还原性能，并为修饰和功能化LDH以及CO2还原光催化剂的设计与开发做出了有益的探索。本文的主要研究成果如下： 1、采用溶剂热法制备超薄镍钴双金属氢氧化物（NiCo LDH），借助低温等离子体技术，在氨气气氛中将氨基嫁接到NiCo LDH上，并通过调控介质阻挡放电（DBD）等离子体处理的时间来优化NH2-NiCo LDH的光催化还原性能。通过傅里叶红外光谱分析发现，等离子体处理过程可以成功引入氨基基团。性能测试表明氨基修饰的的光催化材料能高效还原CO2，CO的生成效率为34.45μmol g?1h?1。 2、采用二次煅烧法制备了超薄石墨相氮化碳（g-C3N4），并通过超声-液氮冷冻干燥的方法将其与NiCo LDH进行复合，构筑g-C3N4/NiCo LDH复合光催化材料。同时，研究g-C3N4/NiCo LDH异质结构的光催化还原CO2能力。实验分析表明，g-C3N4的引入可以有效增强材料的半导体性质，抑制光生电子-空穴复合，提高载流子分离与迁移效率，最终实现其光催化CO2还原性能的大幅提升，当NiCo LDH的质量百分比为15%时，g-C3N4/NiCo LDH复合光催化材料表现出最佳的光催化活性，CO的生成效率为114.24μmol g?1h?1约为NiCo LDH的两倍。 3、采用水热法制备ZnAl LDH六方纳米片为前驱体，以硫代乙酰胺为唯一硫（S）源通过水热硫化技术制备了金属氧化物与金属硫化物的复合催化材料（S-LDH），同时考察其光催化CO2还原性能和提升机理。研究表明，S-LDH催化剂的载流子迁移与分离效率大幅提升，比表面积增大，能带结构得到优化且光催化还原CO2性能对比前驱体提升了超过2倍，CO的最高生成速率达到263.16μmol g?1h?1，CH4的最高生成速率达到18.66μmol g?1h?1。
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