TiO2催化剂催化CO2还原的研究进展

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

摘要/Abstract

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

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

中图分类号:

TE09

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图/表 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
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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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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]

TiO₂催化剂催化CO₂还原的研究进展

An Overview of Carbon Dioxide Catalyzed by Titanium Dioxide Catalyst

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[1]	马馨月, 陈雷, 王芳芳, 陈常东. g⁃C₃N₄/Co₃O₄的制备及其光催化降解四环素研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(5): 56-64.
[2]	李乐乐, 申丽莎, 涂志明, 卢卓信, 谭弘毅, 杨轶, 闫常峰. Cu掺杂WN松枝状自支撑纳米阵列的制备及其碱性析氢性能的研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(4): 57-65.
[3]	毕艳琴, 陈亮亮, 段春阳, 赵增华. Ce-CoFe-P@CC纳米复合催化体系的OER性能[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(3): 49-57.
[4]	杨文科, 卢连雪, 李鹏, 张健, 胡绍争. 光催化材料石墨相氮化碳的合成、改性及应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(1): 43-51.
[5]	宁尧, 刘满, 刘素燕. 多孔碳BVO/Zn@ZPC的制备及其光降解性能[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(6): 36-47.
[6]	杜坤, 郭佳欣, 马紫昂, 毛晶, 凌涛, 赵巍. 中性环境下电催化析氧反应研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(5): 1-14.
[7]	陈基鹏, 杨阳佳子, 李鹏, 张健, 胡绍争. 石墨相氮化碳的制备、改性及应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(5): 45-51.
[8]	武玉泰, 王佳琦, 李丹, 胡旭, 王永胜, 郝广平. 双金属⁃氮掺杂炭催化剂的制备及其电催化CO₂性能[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(3): 1-10.
[9]	张瑀净, 张宝山, 孙洁. 电解水制氢技术及其催化剂研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(6): 19-27.
[10]	范琳, 杨磊, 车晓甄, 李夺, 潘立卫, 钟和香. CO₂电化学还原制CO金属催化剂的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(6): 48-58.
[11]	许雪容, 彭祥. 层状双金属氢氧化物电催化剂的合成与应用研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(5): 1-11.
[12]	杨扬, 孟超, 胡涵, 吴明铂. NiCo₂O₄/Ru复合催化剂的制备及锌空电池的应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(5): 64-70.
[13]	张若男, 何仕婕, 王晓蓉, 王芳芳, 陈常东. BaTiO₃⁃TiO₂复合体的软化学制备及其性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(4): 46-51.
[14]	赵东启, 顾贵洲, 李政. 水滑石类光催化剂在污水处理中的应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(3): 36-42.
[15]	宋楗, 韩乔, 杨占旭. NiMoP/C复合材料的制备及其电催化析氢性能[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(1): 1-9.