保护环境是实现人类社会可持续发展的基本前提，消除气态氧化物分子污染物，如COx (CO2，CO)，SOx (SO2，SO3)，NOx (NO，NO2) 等，对构建和谐生态环境具有重要意义。传统的氧化物分子转化技术，需要使用还原剂和昂贵的贵金属催化剂，因而成本和能耗较高。光催化利用太阳光激发半导体材料产生光生电子-空穴对驱动氧化还原反应，被认为是一种潜在的低成本、低能耗催化反应技术。然而，由于氧化物分子通常是热力学稳定的，这导致直接分解这一类分子为单质十分困难。如何抑制中间产物逆反应过程是实现氧化物分子分解的关键所在。
晶体缺陷在光生电荷分离、传输与分子活化等方面均具有重要的影响，课题组相继在缺陷态表界面能量调控方面取得了系列进展，利用氧空位活化促进CO2 还原（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1702447），揭示了表面缺陷态对界面电荷传输行为的影响机制（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 33887；J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 12848），探索了缺陷态对电化学反应表、界面热力学与动力学过程的影响规律（J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 8402；J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 20439；ChemSusChem 2017, 10, 2897；ChemSusChem 2017, DOI: 10.1002/cssc.201701679）。在上述工作的基础上，近期，课题组提出了利用光致缺陷辅助直接分解氧化物分子产生氧气的反应途径，其机理为：利用光腐蚀反应，通过光生空穴腐蚀氧化物半导体材料中的O原子产生氧缺陷活化、捕获目标气体分子中的O，因氧化物分子中的氧原子被催化剂晶格氧空位捕获而有效抑制了逆反应过程，并因光生空穴的持续性氧化而释放O2，光生电子还原COx，SOx，NOx分子中的C、S和N物种，实现分解这些分子为相应的C、S和N2。这一反应途径所需能量消耗较低，并且可以实现持续性光照分解气态分子产O2，是一种理想的密闭空间内移除气态氧化物分子供氧技术，在太空探索（比如载人宇宙飞行器）、海洋探索（比如水下载人勘探）、民防工程以及大型公共密闭空间内的生态系统构建方面具有潜在的应用前景。该工作以“Oxygen-Vacancies Activated CO2 Splitting over Amorphous Oxide Semiconductor Photocatalyst”为题发表在美国化学会催化期刊《ACS Catalysis》杂志上(DOI: 10.1021/acscatal.7b02952)。
光催化分解CO2反应机理示意图
图a. 光致氧空位浓度与碳产率关系；图b. CO2分解反应量子效率；图c. 光催化材料的能级位置与CO2分解能量需求；图d. 分子分解反应经历了两个光反应与两个暗反应步骤。
物理学院王冰助理研究员、现代工程与应用科学学院2016级王小辉硕士生为论文的共同第一作者，闫世成副教授为论文通讯作者，该研究得到了邹志刚院士的精心指导，获得了科技部973计划、国家自然基金重大专项、国家自然科学基金、中央高校建设经费及国防核生化重点实验室开放基金的资助。
（现代工程与应用科学学院 科学技术处）
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