[发明专利]一种用于CO2

说明书

本发明提供了一种用于CO₂还原制甲酸的光阴极材料及其制备方法，属于光电极材料技术领域。本发明通过“铁电极化”和“界面水活化”双重改性策略构建BiFeO₃/ZnTe/Bi‑S复合光阴极，通过BiFeO₃极化电场的电荷驱动力，Bi‑S界面的H₂O、CO₂吸附活化能力以及光电协同作用，实现ZnTe载流子分离和界面反应效率的最大化，从而有效降低ZnTe反应过电势，提高CO₂定向转化为甲酸的选择性。

技术领域

本发明涉及光电极材料技术领域，尤其涉及一种用于CO₂还原制甲酸的光阴极材料及其制备方法。

背景技术

化石能源的大量使用造成CO₂温室气体的大量排放和积累，将CO₂还原为碳基燃料或化工原料，有助于实现人类的可持续发展。目前，人工CO₂转化的方法主要有高温催化加氢法、电催化还原法、光催化和光电催化转化法等，其中光催化载流子分离效率较低，电催化过电位较高，而光电催化集合光催化的低能耗与电催化的高能效等优势，有利于降低反应的过电势，避免牺牲剂的使用，是一种有效的CO₂转化方法。因此，设计和开发新型光电极体系，实现CO₂分子的高活性、高选择性转化，对CO₂的资源化利用具有重要的科学意义。

在众多p型半导体中，ZnTe的导带电位极负(-1.63V vs.NHE)，远小于大多数CO₂还原反应的热力学电势，且ZnTe带隙窄(2.26eV)、载流子迁移率高，被认为是一种理想的光阴极材料。然而，ZnTe光电极体相内存在大量捕获态，诱导ZnTe光生载流子发生自陷效应，导致电子空穴对快速复合，从而限制了ZnTe光电催化还原CO₂的活性。此外，由于质子还原在动力学上反应更快，导致ZnTe表面H₂产物的选择性明显高于碳基产物。为了提高ZnTe 光电催化CO₂还原的活性和选择性，人们发展了多种改性手段，包括形貌调控、掺杂、异质结构建、助催化剂负载等，其中II型异质结研究最多。然而，此类改性的缺陷在于：II型异质结内建电场的作用范围较窄，对光生电荷的分离效率有限，且分离后的电子还原能力下降，不利于降低反应的过电位；此外，由于缺少还原CO₂的催化位点，单一的II型异质结难以有效活化CO₂分子，对界面上多种反应路径无选择性。因此，如何进一步促进ZnTe光生电荷的分离，同时提高CO₂还原为特定产物的选择性，是当前亟待解决的关键难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于CO₂还原制甲酸的光阴极材料及其制备方法。本发明制得的光阴极材料能够有效捕获可见光，且能促进 ZnTe光生电荷的有效分离和产物的选择性转化，具有极强的应用价值。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种用于CO₂还原制甲酸的光阴极材料的制备方法，包括以下步骤；

将硝酸铋、硝酸铁、柠檬酸、水和聚乙烯吡络烷酮混合，得到纺丝液；

将聚乙烯醇水溶液旋涂至FTO表面，得到纺丝基底；

利用所述纺丝液在所述纺丝基底表面进行静电纺丝，得到三维纳米纤维；

将所述三维纳米纤维煅烧，得到BiFeO₃纳米纤维光电极；

以所述BiFeO₃纳米纤维光电极为基片，以ZnTe为蒸发源，进行蒸发镀膜，得到ZnTe负载的BiFeO₃电极；