摘要
世界范围内化石燃料的消耗所导致的CO2排放不断增加，全球能源和环境危机已迫在眉睫，严重阻碍了人类社会的可持续发展。利用光催化技术将CO2还原为有价值的化合物燃料是一种有前途、可持续的战略。超薄铌酸纳米片（HNb3O8NS）具有二维材料的天然结构优势，其超薄的片层厚度及较大的比表面积有助于光生载流子分离及增多活性位点。然而，单一组成和结构的HNb3O8NS存在光响应范围较窄，光生载流子容易复合和表面反应动力学缓慢等问题，这些不足限制了其在光催化还原CO2领域的应用。因此，本论文针对HNb3O8NS存在的以上问题，通过构筑异质结、表面缺陷和负载助催化剂等策略，设计与制备了新型HNb3O8NS基光催化还原CO2体系，并研究了其光催化性能增强机理。具体内容如下： 1.通过阳离子交换辅助剥离工艺和溶剂热法分别制备了HNb3O8纳米片和富含氧空位的BiOBr（BiOBr-VO），再利用自组装方法成功制备了富含氧空位的BiOBr/HNb3O8纳米片（BiOBr-VO/HNb3O8NS）异质结复合光催化剂。BiOBr-VO与HNb3O8NS形成了强相互作用界面，有利于电荷转移。光催化还原CO2实验结果表明，最佳样品50%-BiOBr-VO/HNb3O8NS反应5h后CO产率达到164.6μmol·g?1，分别比HNb3O8NS和BiOBr-VO提高了9倍和3倍，同时CO选择性达到98.7%。?O2?和?OH自由基捕获实验证明BiOBr-VO/HNb3O8NS遵循Z型电子转移机制。氧空位与Z型异质结协同促进了电荷分离与迁移，提高了光催化活性。这一工作为利用异质结与空位工程设计高效光催化还原CO2体系提供了思路。 2.通过光沉积和Pd催化还原方法成功制备了富含氧空位的Pd/HNb3O8纳米片（Pd/HNb3O8-VO NS）光催化剂。Pd纳米颗粒与HNb3O8-VO NS形成了丰富的强作用界面，促进了电荷的有效分离与快速转移。光催化还原CO2实验结果表明，最佳样品0.5%Pd/HNb3O8-VO NS光照5h后的CH4产率达到288.4μmol·g?1，是纯HNb3O8NS的37.9倍，含碳产物中CH4选择性达到98.9%。同时，所制备的Pd/HNb3O8-VO NS光催化剂表现出优异的稳定性。Pd纳米粒子与氧空位的协同作用不仅促进了光吸收，而且肖特基结的形成有利于电子从HNb3O8-VO NS向Pd转移，进而产生了富电子的Pd纳米粒子位点，提高了8电子产物CH4的选择性。该工作为金属位点和含氧空位的半导体界面协同促进光催化还原CO2提供了深入的认识。 3.首先利用湿化学法合成PtAg合金，再通过自组装策略将PtAg合金纳米颗粒负载到HNb3O8纳米片上（PtAg/HNb3O8NS）。PtAg合金纳米颗粒与HNb3O8NS形成的异质结有效促进了光生电子-空穴对的分离。同时，合金中Ag和Pt位点分别促进了CO中间体物种形成和进一步加氢形成CH4，进而提高了CH4的活性与选择性。光催化还原CO2活性结果表明，最佳样品PtAg-2/HNb3O8NS光照5h后，CH4产率达到222.8μmol·g?1，是纯HNb3O8NS的27.2倍，CH4选择性达到90.6%。该工作为高效光催化还原CO2制备CH4催化剂的设计与制备提供了重要参考。
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