摘要
化石燃料的不断消耗和过量的 CO2排放逐渐加剧了传统能源危机和生态环境恶化，严重制约人类生态文明建设的绿色可持续发展。因此，在推进“碳达峰-碳中和”目标下，将 CO2转化为高附加值化学品已成为可持续发展的全球共识。受光合作用所表现出的自然和高效的能量转换的启发，光催化 CO2还原技术直接利用绿色可再生的太阳能将 CO2高效转化为碳氢燃料和有用的化工产品，被认为是缓解能源危机和全球变暖问题的前瞻性方法。 为了追求高效率CO2转化，许多具有合适能带的半导体光催化剂被用于光催化CO2还原。但受限于光生载流子分离效率低、CO2吸附性差和粉体催化剂难回收等问题，严重限制了该技术的工业应用。在众多半导体材料中，具有类金属导电特性的酚醛树脂基炭球因其球形度好、强度高、易再生、孔结构可调和比表面积大等特点，在光催化体系中具有很大潜力。然而，纯炭球表面缺乏足够种类和数量的官能团，使其不具备光催化活性。因此，本论文以酚醛树脂基炭球为研究对象，通过系统地调控炭球的碱性含氮基团、孔隙结构及表面还原位点，进而实现优异的光催化还原 CO2性能。具体研究内容如下： （1）氮掺杂层次孔炭球的制备及其光催化还原 CO2性能研究。以间甲酚和甲醛为第一单体、丙烯酰胺作为共聚单体，在悬浮聚合的过程中添加不同的模板剂（F127、P123、CTAB），辅以 600℃碳化制备了毫米级 N 掺杂层次孔炭球（NPCS），用于光催化还原 CO2性能研究。首先，当模板剂 F127 的质量为 0.6 g，N 掺杂层次孔炭球（NPCS-F6）在模拟太阳光照射 8 h 后表现出最佳光催化还原 CO2性能，CO 产量为17.56 μmol·g-1。其次，利用 X 射线衍射、拉曼光谱、场发射扫描电子能谱对其结构、形貌和元素组成进行分析，证明了含N官能团的成功引入。最后，采用XPS、N2吸附/脱附曲线、CO2吸附曲线对 N 掺杂多孔炭球的含氮官能团种类/数量、孔结构性质和CO2吸附能力进行分析，表明NPCS在高温碳化过程中模板剂热解产生多级孔结构并且具有优异的CO2吸附能力。基于上述表征结果，结合电化学表征，分析了NPCS-F6具有较高光催化还原CO2性能的原因。 （2）Bi2Sn2O7/NPCS-F6的制备及其光催化还原CO2性能研究。采用水热法和浸渍法将Bi2Sn2O7纳米颗粒固定在NPCS-F6上，合成了固载型Bi2Sn2O7/NPCS-F6二元催化剂。固载型光催化剂不仅具有较强的 CO2吸附能力，而且提高了水分子与光催化剂的之间的接触。因此，在模拟太阳光照射8 h后，Bi2Sn2O7/NPCS-F6的光催化还原CO2活性为201.99μmol?g-1，分别是纯Bi2Sn2O7（155.04μmol?g-1）和NPCS-F6（17.56μmol?g-1）活性的1.3倍和11.5倍，并且在循环24 h后表现出良好的稳定性，CO产率为首次循环的97.1%。此外，结合材料微观形貌、孔径分布、亲水性、光电性质以及CO2吸附等表征，提出了Bi2Sn2O7/NPCS-F6复合光催化剂可能的光催化还原CO2机理。 总之，悬浮聚合法是大规模生产高质量酚醛树脂基炭球的有效方法；杂原子掺杂、调控孔结构以及与固定化负载可以有效地提高光催化还原 CO2活性。本工作为制备高效、稳定、易回收的CO2还原光催化剂提供了有利的参考。
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