An Overview of Carbon Dioxide Catalyzed by Titanium Dioxide Catalyst

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2024.04.001

Abstract

Abstract:

The continuous increase in carbon emissions and the escalating severity of environmental issues, it has become a global focus of attention to explore feasible solutions. Converting CO₂ into useful fuels or chemicals through photocatalysis and electrocatalysis has garnered significant interest. TiO₂ is highly favored for its stable chemical properties, high catalytic activity, low cost, non?toxicity, and environmental friendliness. This review provides an overview of the reaction mechanisms involved in photocatalytic CO₂ reduction and electrocatalytic CO₂ reduction. It emphasizes the key applications and advantages of TiO₂ in these processes, investigates the influence of different surface modification technologies on the catalytic performance of TiO₂, explores how different morphologies of TiO₂ affect the catalytic activity and selectivity of CO₂ reduction, and discusses strategies for enhancing the catalytic performance of TiO₂?based. The overview not only contributes to the existing body of knowledge through additional experimental and theoretical research on the mechanism of titanium dioxide but also provides a scientific basis for the achievement of sustainable carbon conversion processes.

Key words: Titanium dioxide, Carbon dioxide reduction reaction, Photocatalysis, Electrocatalysis, Photoelectrocatalysis

摘要：

碳排放量的不断增加导致环境问题日益严重，寻找解决途径已成为全球共同关注的焦点。通过光催化、电催化还原CO₂可以将其转化为有用的燃料或化学品。TiO₂因具有化学性质稳定、催化活性高、价格低廉、无毒无污染等优点而备受青睐。综述了光催化CO₂还原和电催化CO₂还原的反应机理；阐述了TiO₂在光催化和电催化还原CO₂中的应用和优势、不同表面改性技术对TiO₂的催化性能的影响以及TiO₂的形貌对CO₂还原催化活性和选择性的影响；对TiO₂基催化剂催化性能的提升方法进行了讨论。综述为可持续碳转化提供科学基础，并有助于进一步实验和理论探索TiO₂的作用机理。

关键词: 二氧化钛, 二氧化碳还原反应, 光催化, 电催化, 光电催化

CLC Number:

TE09

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Figures/Tables 10

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还原反应	E（vs.SHE）/V
CO₂ + e^- → CO₂^-	-1.90
CO₂ + 2 H⁺ + 2e^- → HCOOH	-0.61
CO₂ + H₂O + 2e^- → COOH^-	-0.44
CO₂ + 2 H⁺ + 2e^- → CO + H₂O	-0.52
2CO₂ + 12 H⁺ + 12e^- → C₂H₄ + 4H₂O	-0.34
CO₂ + 4 H⁺ + 4e^- → HCHO + H₂O	-0.51
CO₂ + 6 H⁺ + 6e^- → CH₃OH + H₂O	-0.38
CO₂ + 8 H⁺ + 8e^- → CH₄ + 2H₂O	-0.24
2 H⁺ + 2e^- → H₂	-0.42

还原反应	E（vs.SHE）/V
CO₂ + e^- → CO₂^-	-1.90
CO₂ + 2 H⁺ + 2e^- → HCOOH	-0.61
CO₂ + H₂O + 2e^- → COOH^-	-0.44
CO₂ + 2 H⁺ + 2e^- → CO + H₂O	-0.52
2CO₂ + 12 H⁺ + 12e^- → C₂H₄ + 4H₂O	-0.34
CO₂ + 4 H⁺ + 4e^- → HCHO + H₂O	-0.51
CO₂ + 6 H⁺ + 6e^- → CH₃OH + H₂O	-0.38
CO₂ + 8 H⁺ + 8e^- → CH₄ + 2H₂O	-0.24
2 H⁺ + 2e^- → H₂	-0.42

催化剂	产品产率/（µmol·g^-1·h^-1）	参考文献
Cs₂CuBr₄/TiO₂	272.38(CO),87.62(CH₄)	[41]
Ag/Cu⁃Cu₂O⁃TiO₂	62.50(CH₄)	[42]
Cu₂O QDs/TiO₂ NTs	0.10(CO),2.93(CH₄)	[43]
Ni _x /TiO₂⁃O_V	22.65(CO),3.93(CH₄)	[44]
Cu⁃TiO₂/NiO _x	11.85(CO),9.51(CH₄)	[45]
CoN _x /TiO₂	24.40(CO),119.90(CH₄)	[46]
Pd⁃Ov⁃TNB	25.98(C₂产物)	[47]
介孔TiO₂⁃P123	0.30(CO),12.30(CH₄), 15.70*(H₂)	[48]
中空核壳TiO₂@In₂S₃	25.35(CO),1.24(CH₄)	[49]
中空立方Cu _x Au_1-_x / TiO₂	6.08(CO)	[50]

催化剂	产品产率/（µmol·g^-1·h^-1）	参考文献
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Cu⁃TiO₂/NiO _x	11.85(CO),9.51(CH₄)	[45]
CoN _x /TiO₂	24.40(CO),119.90(CH₄)	[46]
Pd⁃Ov⁃TNB	25.98(C₂产物)	[47]
介孔TiO₂⁃P123	0.30(CO),12.30(CH₄), 15.70*(H₂)	[48]
中空核壳TiO₂@In₂S₃	25.35(CO),1.24(CH₄)	[49]
中空立方Cu _x Au_1-_x / TiO₂	6.08(CO)	[50]

催化剂	反应条件	产品	产率	法拉第效率/％	参考文献
TiO₂⁃NT/GNR/Pt⁃Pd⁃Cu	偏置电位：-1.0 V；参比电极：Ag/AgCl；电解液：3.0 mol/L KCl；Xe灯，150 W	-	-	13.78（C₂H₅OH） 84.17（CH₃OH）	[57]
CuFeO₂/TNNTs （TNNTs: Nb⁃doped TiO₂纳米管）	偏置电位：-0.4 V；参比电极：SCE；Xe灯，250 W	C₂H₅OH	3.3 μmol/（5 h·cm²）	75.00	[58]
Ti/TiO₂NT⁃ZrO₂	偏置电位：-0.3 V；参比电极：Ag/AgCl；电解液：3.0 mol/L KCl；Xe灯，125 W	CH₃OH C₂H₅OH	485.0 µmol/L 268.0 µmol/L	-	[59]
Ag–TiO₂/RGO	偏置电位：-0.5 V；参比电极：Ag/AgCl；Xe灯，300 W	C₂H₅OH	3.3 μmol/（L·cm²）	60.50	[60]
TPPNi@TiO₂	偏置电位：-0.6 V；参比电极：Ag/AgCl；Xe灯，300 W	CH₃OH	55.5 µmol/（h·cm²）	-	[61]
SnO₂/InP/TiO₂ NTs	偏置电位：-1.4 V；参比电极：SCE；Xe灯，500W	CH₃OH	3.2 mmol/（L·cm²）	23.52	[62]
CoPc⁃COF@TiO₂ NTs	偏置电位：-0.6 V；参比电极：RHE（In CO₂⁃saturated KHCO₃/KNO₃）	CO（NH₂）₂	1 205 μg/（h·cm²）	49.00	[63]
CuO/TiO₂纳米纤维	偏置电位：-1.1 V；参比电极：SCE	C₂H₅OH HCOOH	6.4 μmol/cm² 1.0 μmol/cm²	-	[64]