摘要
与日俱增的化石能源消耗导致大量二氧化碳(CO2)被排放到大气环境中，加剧了全球变暖问题。利用太阳能将CO2转化为有价值的化学燃料(例如:CH4、CH3OH、CO等)，不仅可以缓解温室效应，还能满足部分能源需求。其中，催化剂在光催化CO2还原过程中，起着关键作用。但是，光催化剂因光生载流子(电子-空穴对)分离效率低，CO2吸附/活化能力差等问题，导致光催化CO2还原效率偏低。在目前报道的诸多催化剂中，我们选取Bi2O2(OH)(NO3)为研究对象。Bi2O2(OH)(NO3)具有典型的层状结构且内部具有自发极化电场，在电子.空穴对的分离上具有天然优势。即便如此，块状Bi2O2(OH)(NO3)中的载流子需要传输较长的距离才能够到达催化剂表面，导致其电荷复合率依旧偏高。本研究通过构建超薄结构、调控表面成分、构建异质结等策略，增强光生载流子的分离和传输效率，提高CO2分子的吸附/活化效率，从而提升Bi2O2(OH)(NO3)的光催化CO2还原性能。主要研究结果如下: 1.采用超声辅助剥离法，制备了超薄Bi2O2(OH)(NO3)纳米片(BON-N3)。TEM等结果表明，10-20μm块体状Bi2O2(OH)(NO3)材料己被剥离成1.7-3.4nm原子级厚度的纳米片。而且，超薄BON-N3的比表面积(4.70m2g-1)，比块状Bi2O2(OH)(NO3)(0.49m2g-1)增加了8.5倍。通过光催化CO2还原性能测试，考察了材料厚度对性能的影响。光照3h，超薄纳米片催化剂的CO产率(8.4μmolg-1)是块状催化剂(1.5μmolg-1)的5.6倍。增强的光催化活性可归因于超薄结构能够有效地分离光生载流子。 2.通过简单的酸处理手段调节超薄BON-N3催化剂表面OH-浓度，使得纳米片表面部分OH-被NO3-取代，成功制备了一系列表面成分可调的超薄Bi2O2(OH)1+x(NO3)1-x纳米片。XPS等结果证明了表面成分的成功调控。通过光催化CO2还原性能测试，考察了材料表面成分对性能的影响。光照3h后，最佳催化剂的CO产量提高至16.7μmolg-1，比块状Bi2O2(OH)(NO3)提高了约10倍。理论计算表明，与表面OH-相比，表面NO3-基团对相邻Bi原子具有更强的电荷积累/耗尽能力，有利于光生载流子从催化剂体相向表面转移。从而，提升了光催化活性。这项研究可以为表面结构可控的超薄光催化剂的设计提供一种新的、策略，以实现有效的CO2还原。 3.通过水热法在超薄Bi2O2(OH)(NOH)纳米片上负载N掺杂的石墨烯量子点(N-GQDs)，构筑了零维/二维(0D/2D)构型的N-GQDs/Bi2O2(OH)(NO3)异质结催化剂(BON-NGx)。TEM等结果表明，粒径尺寸为1～3nm的N-GQDs和超薄Bi2O2(OH)(NO3)纳米片成功复合在一起。通过光催化CO2还原性能测试，考察了复合条件和N-GQDs负载量对CO产量的影响。最佳样品BON-NG0.5在光照3h后，CO2还原主要产物CO的产量为13.7μmolg-1，是BON-N3的2倍。瞬态光致发光谱等结果表明，增强的光生载流子分离以及传输效率是复合材料光催化CO2还原活性提高的主要原因。这项工作将为新型高效光催化剂的设计提供更多的思路。 4.将超薄Bi2O2(OH)(NO3)纳米片和Bl2WO6纳米片复合构筑了二维/二维(2D/2D)构型的Bi2WO6/Bi2O2(OH)CNO3)异质结催化剂(BON-BWx)。TEM等结果表明，2DBi2WO6和超薄Bi2O2(OH)(NO3)纳米片成功复合在一起。通过光催化CO2还原性能测试，考察了Bi2WO6负载量对CH4产量的影响。BON-BW2复合材料表现出最佳的光催化CO2还原活性，其光照3h后主要产物CH4的产量为11.01.μmolg-1，是Bi2WO6的3倍。光催化CO2还原活性的增强是由于形成了2D/2D异质结，具有较大的异质结界面，有助于光生载流子的分离和传输。本研究可为异质结光催化剂的合理设计提供参考。
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