光电催化二氧化碳和水转化为有机物
景欢旺教授课题组在二氧化碳化学和绿色化学研究领域有着二十多年的深厚研究基础和丰富的经验。近年来主要开展有机-无机杂化半导体材料仿生植物光合作用，主要在KHCO3水溶液中，采用两点接和三电极系统，高效地进行光电联合催化还原二氧化碳为有机化合物。研究了配体共价键修饰半导体、原位半导体异质结、碳、氮掺杂半导体和金属间隙化合物衍生的异质结等催化体系，提出了光阴极与卡尔文循环（Calvin cycle）合二为一的策略，调控二氧化碳还原过程的C-C偶联规律研究，围绕着如何在分子和轨道水平调控催化剂还原CO2的中间体和反应活性位点碳碳偶联这一关键科学问题，开展了系统的研究工作。实现了光电催化剂的创新，扩展了二氧化碳化学的研究内容。研究成果对仿生催化、人工光合成和光电催化二氧化碳还原等领域具有引领作用。近五年在Electrochimica Acta, Nano Energy，App. Catal. B., J. Catal., iScience, J. Mater. Chem. A, 和Chem. Eng. J.等国际知名专业期刊上发表论文18篇。获授权国家发明专利3项。
相关成果：
一、 借鉴植物光合作用原理，首次用配体和金属Pd颗粒模拟植物的Calvin循环，在双电极系统，标准硅电池0.56V电压下，实现了乙醇的合成，选择性大于99%，同时有微量丁醇生成。高效催化体系，经13CO2和H218O同位素实验验证，乙醇的碳来自气相CO2，释放的氧气18O2来自水，故，还原剂为水中的氢原子。由于气相无其他副产物，液相仅有乙醇和丁醇，电池的光量子效率达到0.56%，超过了植物平均的0.4%，这是真正意义上人工光合成的奠基性工作。该工作发表于ChemSusChem,2017,10:1742-1748；参与人：张雨倩、韩博、聂融等。
二、 利用间隙金属化合物的导电特性，设计并原位制备了新型异质结半导体材料TiO2@Ti3C2，共价嫁接胺配体后，提升了光电催化的效率，在三电极系统中，扣除电化学的贡献，电池的光量子效率达到1.78%。该工作发表于Nanao Enegry,2018, 51:442–450；参与人：许艳杰，王帅，聂融等。
三、 与中科院兰化所，化学所，煤化所合作，用MOFs做前驱体，设计在泡沫铜表面原位制备出C、N共掺杂的保持MOF形状的ZnO@Co3O4/Cu的p-n异质结和肖特基结的高效催化剂，利用催化剂的特殊形貌模拟了植物Calvin循环，由于催化活性位点主要分布于十二面体的顶点，5个CO2分子可以同时发生C-C偶联，得到了分子量大于4000的长碳链含氧化合物（类似油状物漂浮到水面），扣除电化学的贡献，电池的光量子效率达到1.95%。实现了人工光合成模拟植物光合作用的巨大飞跃。碳链生长机理经过13CO2同位素表征证明为5个CH2片段为75的碎片断裂规律。该工作发表于iScience, 2020, 23: 100768；参与人：王金圆、王毅琳、胡斌等。
四、 在碳布上，原位生长出卟啉COF材料，再电化学生长出铜纳米棒，利用卟啉COFs优异的吸光性能和4个N的吸附CO2分子并控制碳碳偶联的特性，提升了复合材料的光电催化性能和碳碳偶联几率，提升了C2+产物的选择性，产物主要为乙醇和丙酮等。该工作发表于Chem. Eng. J., 2020，396: 125255；参与人：王冰、董亚鹏、魏艳等。
五、 利用Fe的诱导作用，在TiO2半导体表面原位生长出聚吡咯纳米管，经部分碳化得到氮掺杂的碳纳米管与TiO2半导体组成的电极催化材料，经Mott-Schottky测试的电化学表征，复合半导体催化材料随着退火温度的增加，其半导体属性由p-n异质结转变为n-n同型异质结，催化CO2还原能力得到提升；结合同位素H218O实验结果，提出了全新的水中CO2还原的卡宾中间体机理。该工作发表于Appl. Catal. B: Environ., 2021，285: 119781；参与人：王金圆、马江平、张巧兰、王冰等。
获授权国家发明专利：
1. 一种由二氧化碳和水制备乙醇的方法，ZL201510914432.8；
2. 一种用二氧化碳和水制备甲醇的方法，ZL201611096224.2；
3. 用二氧化碳和水制备长碳链含氧化合物的方法，ZL201811169041.8
