摘要
二氧化碳（CO2）气体的过量排放不仅造成了严峻的环境危机，而且限制了人类工业的发展。光催化还原技术可以使过量的CO2气体直接转换成高附加值产品，这将有利于实现双碳目标。用于光催化还原CO2的催化剂需要满足光吸收性能好、带隙匹配度高、活性位点丰富、稳定性好、成本低以及含量丰富等要求。本论文在研究石墨相氮化碳（g-C3N4）的光催化性能的基础上选择铜（Cu）和氧化铜（CuO）纳米颗粒对g-C3N4进行改性研究，并探究其光催化性能，制备了Cu负载在g-C3N4上形成的Cu/CN复合结构和CuO与g-C3N4形成的CuO/CN异质结构这两类复合光催化剂，并在液相中实现了光照条件下将CO2转化为CO、CH4、CH3OH等化工产品。具体研究内容如下： （1）探究薄层g-C3N4光催化剂的可控制备技术并对其光催化还原CO2性能进行测试，研究其可见光吸收性能和载流子迁移以及复合的能力，从能带结构的角度探究其光催化的内部机理。 （2）通过高温煅烧和氧化还原反应的方法成功制备不同负载浓度的Cu/CN光催化剂，Cu作助催化剂构建金属和半导体接触形成的肖特基结。在光照条件下，g-C3N4的光生电子自动迁移至Cu纳米颗粒上，有效促进了光生载流子的分离，并且通过减小禁带宽度提升了复合催化剂的光吸收性能。由于Cu不同晶面对不同产物的选择性不同，实现对CH4产物的100%选择性。通过对不同复合浓度的Cu/CN进行光催化还原CO2的测试，发现2.5%Cu/CN复合结构反应4h后CH4的产量为0.84μmol/g，是g-C3N4的4.1倍。 （3）通过高温煅烧法制备不同负载浓度的CuO/CN光催化剂，构建了p型和n型半导体紧密接触的TypeΙΙ型异质结结构。在达到平衡状态时，CuO的费米能级发生变化，促使在光照条件下CuO上的光生电子自动迁移至g-C3N4的表面，g-C3N4表面的光生空穴迁移至CuO的表面，实现光生载流子的分离，并且通过减小禁带宽度提升了复合催化剂的光吸收性能。复合结构的光催化还原CO2性能得到较大提升，6%CuO/CN的催化性能最佳，反应4h后的CO产物产量为3.74μmol/g，是纯g-C3N4的7.2倍，CH4产物产量为0.84μmol/g，是纯g-C3N4的3.3倍。经过4次循环测试后，催化剂的催化性能仍然稳定，进一步说明了复合后的催化剂优异的光催化性能。
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