CuO-PMA异质纳米片的制备及其光催化还原二氧化碳研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0578

摘要/Abstract

摘要：

构建纳米级异质结构是提高光催化还原二氧化碳能力的重要策略之一。采用溶剂热法制备得到氧化铜-磷钼酸（CuO-PMA）共组装纳米片结构，并进行结构表征和性能评价。首先采用透射电子显微镜、能谱仪、红外光谱仪、X射线光电子能谱仪和X射线衍射仪等仪器表征形貌、组成、结构和元素价态等，然后评价其光催化CO₂还原性能，最后研究CuO-PMA异质纳米片的光催化CO₂还原机理。结果表明，CuO-PMA异质纳米片为梭子形，长度约为1 μm，宽度约为100 nm，其由CuO与PMA组成。此外，和CuO与PMA相比，CuO-PMA异质纳米片具有较大的比表面积（52.03 m²/g）。在可见光照射下，CuO-PMA异质纳米片光催化还原CO₂生成CH₄和CO的速率分别为210.12、486.70 μmol/（g·h），分别是纯CuO和PMA的催化速率的8.4、10.2倍和2.5、2.3倍。CuO-PMA异质结构中载流子分离和传输性能提高，从而促进光化学CO₂转化反应的产生，并以此得出相应的光催化CO₂还原机制。

关键词: 光催化, 氧化铜, 多金属氧酸盐, CO₂还原, 纳米片

Abstract:

Constructing nanoscale heterostructures is an important strategy to improve the photocatalytic reduction of carbon dioxide.Phosphomolybdic acid and copper oxide（CuO-PMA） co-assembled nanosheets were prepared by solvothermal method，and structural characterization and performance evaluation were conducted.Firstly，the morphology，composition，structure and element valence，etc.of the newly prepared composite materials were characterized by TEM，EDS，infrared spectroscopy，XPS and XRD.Then，their photocatalytic CO₂ reduction performance was evaluated.Finally，the photocatalytic CO₂reduction mechanism of CuO-PMA was studied.The prepared nanosheets were shuttle shaped with a length of about 1 μm and a width of around 100 nm.The elemental characterization of the structure confirmed that the obtained nanosheets were composed of CuO and PMA.In addition，compared with CuO and PMA，CuO-PMA nanosheets had a larger specific surface area（52.03 m²/g）.The rates of photocatalytic reduction of CO₂ to CH₄ and CO by CuO PMA under visible light irradiation were 210.12 μmol/（g·h） and 486.70 μmol/（g·h），respectively，which were 8.4，10.2 times and 2.5，2.3 times higher than those of pure CuO and PMA，respectively.The carrier separation and transport performance in CuO-PMA heterostructures was improved，thereby promoting the generation of electrochemical CO₂ conversion reactions and deriving the corresponding photocatalytic CO₂ reduction mechanism.

Key words: photocatalysis, CuO, polyoxometalate, CO₂ reduction, nanosheets

中图分类号:

O643.3

马彩梅, 金华, 周文. CuO-PMA异质纳米片的制备及其光催化还原二氧化碳研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(11): 130-136.

MA Caimei, JIN Hua, ZHOU Wen. Study on preparation of CuO-PMA heterogeneous nanosheets and their photocatalytic CO₂ reduction[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2025, 57(11): 130-136.

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参考文献 22

[1]	王锋，周化岚，张建国.太阳能驱动二氧化碳转化［J］.自然杂志，2021，43（1）：61-70.
	WANG Feng， ZHOU Hualan， ZHANG Jianguo.Carbon dioxide conversion by solar energy［J］.Chinese Journal of Nature，2021，43（1）：61-70.
[2]	彭亮.氧化锰在二氧化碳转化中的应用研究［D］.广州：广东工业大学，2023.
	PENG Liang.Research on the application of manganese oxide in carbon dioxide conversion［D］.Guangzhou：Guangdong University of Technology，2023.
[3]	张博，吴运祯，翟潘龙，等.铋基催化剂的合理设计和电催化二氧化碳转化［J］.催化学报，2022，43（12）：3062-3088.
	ZHANG Bo， WU Yunzhen， ZHAI Panlong，et al.Rational design of bismuth-based catalysts for electrochemical CO₂ reduction［J］.Chinese Journal of Catalysis，2022，43（12）：3062-3088.
[4]	ARTZ J， MÜLLER T E， THENERT K，et al.Sustainable conversion of carbon dioxide：An integrated review of catalysis and life cycle assessment［J］.Chemical Reviews，2018，118（2）：434-504.
[5]	解仲凯，施伟东.电荷极化光催化剂光转化二氧化碳制多碳化学品的研究进展［J］.化工进展，2024，43（5）：2714-2722.
	XIE Zhongkai， SHI Weidong.Research progress of charge polarized photocatalysts in photoconversion carbon dioxide into multi-carbon chemicals［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，2024，43（5）：2714-2722.
[6]	赵盈喆，张建玲.金属—有机框架基材料在二氧化碳光催化转化中的应用［J］.高等学校化学学报，2022，43（7）：94-105.
	ZHAO Yingzhe， ZHANG Jianling.Applications of metal-organic framework-based material in carbon dioxide photocatalytic conversion［J］.Chemical Journal of Chinese Universities，2022，43（7）：94-105.
[7]	CHEBBI A， SINOPOLI A， ABOTALEB A，et al.Photocatalytic conv-ersion of carbon dioxide，methane，and air for green fuels synthes-is［J］.Catalysis Science & Technology，2023，13（17）：4895-4918.
[8]	KASS S R.Carbon dioxide stability and C—O π-bond strengths［J］.The Journal of Organic Chemistry，2024，89（16）：11353-11356.
[9]	李翔，白云龙，邹小平，等.纳米氧化铜的制备及光催化降解亚甲基蓝［J］.有色金属（冶炼部分），2022（8）：107-112.
	LI Xiang， BAI Yunlong， ZOU Xiaoping，et al.Preparation of nanometer copper oxide and its photocatalytic degradation property of methylene blue［J］.Nonferrous Metals（Extractive Metallurgy），2022（8）：107-112.
[10]	苗征，朱绒霞，栾瑞昕.固相反应法制备纳米氧化铜及其光催化性能研究［J］.应用化工，2021，50（7）：1768-1770.
	MIAO Zheng， ZHU Rongxia， LUAN Ruixin.Research on photocatalytic activity of nano-CuO prepared by solid-state reaction method［J］.Applied Chemical Industry，2021，50（7）：1768-1770.
[11]	DE ALMEIDA J C， RODRIGUES T A， SILVA G T S T DA，et al.Unveiling the influence of alkaline modifiers in CuO synthesis on its photocatalytic activity for CO₂ reduction［J］.Materials Advances，2024，5（16）：6479-6488.
[12]	李慧杰，池漫洲，辛兴，等.异金属取代的多金属氧酸盐@光响应型金属-有机框架用于高选择性光催化CO₂还原［J］.催化学报，2023，44（7）：343-351.
	LI Huijie， CHI Manzhou， XIN Xing，et al.Highly selective photoreduction of CO₂ catalyzed by the encapsulated heterometallic-substituted polyoxometalate into a photo-responsive metal-organic framework［J］.Chinese Journal of Catalysis，2023，44（7）：343-351.
[13]	王牌.含Keggin型多金属氧酸盐的超分子主客体配合物的构筑及催化性能研究［D］.扬州：扬州大学，2023.
	WANG Pai.Construction and catalytic performance of supramolecular host-guest complexes containing Keggin-type polyoxometalates［D］.Jiangsu：Yangzhou University，2023.
[14]	施雨昂，刘清达，张思敏，等.稀土基亚纳米材料［J］.中国稀土学报，2021，39（3）：447-455.
	SHI Yuang， LIU Qingda， ZHANG Simin，et al.Sub-nanomaterials with rare earth elements［J］.Journal of the Chinese Society of Rare Earths，2021，39（3）：447-455.
[15]	LIU Junli， SHI Wenxiong， WANG Xun.Cluster-nuclei coassembled into two-dimensional hybrid CuO-PMA sub-1 nm nano-sheets［J］.Journal of the American Chemical Society，2019，141（47）：18754-18758.
[16]	朱爱雪.水中卤代双酚A的检测及CuO/Ce₂O₃对其光催化降解机理的研究［D］.保定：河北大学，2023.
	ZHU Aixue.Detection of halogenated bisphenol A in water and study of its photocatalytic degradation mechanism by CuO/Ce₂O₃ ［D］.Baoding：Hebei University，2023.
[17]	孙美慧，李江文，刘文月，等.Cu、Ni元素对耐蚀高锰阻尼钢在大气环境中腐蚀行为的影响［J］.中国表面工程，2024，37（2）：27-40.
	SUN Meihui， LI Jiangwen， LIU Wenyue，et al.Effects of Cu and Ni on corrosion behavior of corrosion-resistant high-manganese damping steel in atmospheric environment［J］.China Surface Engineering，2024，37（2）：27-40.
[18]	ZHOU Zhan， WANG Yanlong， PENG Feng，et al.Intercalation-activated layered MoO₃ nanobelts as biodegradable nanozymes for tumor-specific photo-enhanced catalytic therapy［J］.Angewandte Chemie International Edition，2022，61（16）：e202115939.
[19]	陶雨，欧鸿辉，雷永鹏，等.单原子催化剂在光催化二氧化碳还原中的研究进展［J］.高等学校化学学报，2022，43（5）：153-164.
	TAO Yu， Honghui OU， LEI Yongpeng，et al.Research progress of single-atom catalysts in photocatalytic reduction of carbon dioxide［J］.Chemical Journal of Chinese Universities，2022，43（5）：153-164.
[20]	宋邓萌，许文华，李珺，等.“一体化”共价有机框架光催化二氧化碳还原研究［J］.催化学报，2022，43（9）：2425-2433.
	SONG Dengmeng， XU Wenhua， LI Jun，et al.“All-in-one” covalent organic framework for photocatalytic CO₂ reduction［J］.Chinese Journal of Catalysis，2022，43（9）：2425-2433.
[21]	BONCHIO M， BONIN J， ISHITANI O，et al.Best practices for experiments and reporting in photocatalytic CO₂ reduction［J］.Nature Catalysis，2023，6（8）：657-665.
[22]	严靖，倪嘉琪，孙宏丽，等.原位衰减全反射表面增强红外光谱示踪单原子催化二氧化碳电还原反应中间体的研究进展［J］.催化学报，2024，45（7）：32-52.
	YAN Jing， NI Jiaqi， SUN Hongli，et al.Progress in tracking electrochemical CO₂ reduction intermediates over single-atom catalysts using operando ATR-SEIRAS［J］.Chinese Journal of Catalysis，2024，45（7）：32-52.

元素	质量分数/%	物质的量分数/%
Cu	13.55	0.21
Mo	21.20	0.22

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