摘 要

CO₂作为引发温室效应的主要气体，是导致全球变暖的重要因素。将CO₂还原为有价值的化石能源不仅解决了CO₂导致的环境问题，还解决了能源短缺问题。CO₂还原的处理方法有很多，其中电催化、光催化以及光电催化还原作为新型CO₂的处理方法受到国内外关注。而铟作为一种无毒的非贵金属，具有良好的光/电催化性能。本论文总结了近年来铟及其化合物在电催化、光催化以及光电催化CO₂还原的相关应用，最后并对其发展趋势进行了展望。

关键词：CO₂还原；铟；电催化；光催化；光电催化

Abstract

As the main gas that triggers the greenhouse effect, CO₂ is an important factor leading to global warming. The reduction of CO₂ to valuable fossil energy not only solves the environmental problems caused by CO₂, but also solves the current shortage of energy. There are many methods for reducing CO₂. Among them, electrocatalysis, photocatalysis and photoelectrocatalysis reduction as new types of CO₂ treatment methods have been studied at home and abroad. Indium, a nontoxic non-noble metal, exhibits an excellent photo/electro-catalysis activity. In this thesis, the recent applications and modification methods of indium and its compounds in electrocatalysis, photocatalysis and photoelectrocatalysis were summarized. Its development trend is also prospected.

Key words: CO₂ reduction; indium; electrocatalysis; photocatalysis; photoelectrocatalysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 CO₂的电催化还原 1

1.2 CO₂的光催化还原 1

1.3 CO₂的光电催化还原 2

1.4 铟及其化合物催化剂 2

第2章 铟及其化合物在电催化还原CO₂中的应用 3

2.1单一金属铟及其化合物 3

2.1.1铟的形貌控制 3

2.1.2铟的氧化物 4

2.1.3铟的硫化物和硒化物 4

2.2 含铟双金属电催化剂 4

2.2.1 In-Cu双金属电催化剂 5

2.2.2 In-Sn双金属电催化剂 7

2.2.3 其它含In双金属电催化剂 7

2.3 含铟复合材料 8

2.4 总结 9

第3章 铟及其化合物在光催化还原CO₂中的应用 10

3.1 异质结结构 10

3.2 缺陷工程 12

3.3 元素掺杂 13

3.4 助催化剂 14

3.5 本章小结 14

第4章 铟及其化合物在光电催化还原CO₂中的应用 15

4.1 单一的含铟三元硫化物 15

4.2 杂化的含铟三元硫化物 15

4.3 本章小结 16

第5章 总结和展望 17

参考文献 18

致 谢 22

第1章 绪论

当前，在全球人口增长和工业化的推动下，全球能源消耗中有80％以上依靠化石燃料。预测表明，到2040年，全球能源消耗将增加56％，这种增加的需求将无法通过有限的现有自然资源来满足^[1]。伴随的危机是化石燃料消耗中释放的大量CO₂，这导致全球变暖和环境不稳定。就解决能源和环境危机而言，将CO₂还原为有用的燃料有着重大的意义。然而，CO₂是一个稳定的分子，这就导致CO₂的资源化利用具有一定的难度^{[2, 3]}。目前CO₂的资源化利用主要通过CO₂催化共聚、催化加氢以及电催化、光催化和光电催化还原^[4]。 而CO₂催化共聚和催化加氢常常在高温、高压的条件下进行，而氢的制备主要依靠化石燃料。电催化、光催化和光电催化还原则能够在相对温和的条件下进行,而且可以通过利用太阳能等清洁能源从而减少了化石燃料的使用^[5]。

1.1 CO₂的电催化还原

电催化还原CO₂是一个复杂的多电子转移反应，其在水相和非水相中以不同标准电极电势可同时实现两电子、四电子、六电子，甚至八电子的反应过程，从而形成多种产物。反应最终产物往往取决于催化反应过程中电子转移数及反应中间体^[6]。CO₂电化学还原反应通常具备以下三步：(1) CO₂被吸附到电极的外表面；(2) 电子和吸附在电极表面的CO₂的结合；(3) CO₂还原产物在电极表面的脱附^[7]。而目前，常见的CO₂ 还原产物有CO、HCOOH、CH₃OH和CH₄等。

1.2 CO₂的光催化还原

多年来，光催化CO₂还原一直受到人们的一致关注，其原理是利用太阳能并模拟自然界中的光合循环^[8]。光催化剂吸收的能量一旦高于其带隙就会导致电子的激发，从而从价带（VB）到导带（CB）跃迁，而且VB同时形成等量的空穴。彼此分离的光生的电子和空穴会传输到光催化剂表面以进行表面催化反应，即将CO₂催化还原为化石能源（如CO、CH₃OH和CH₄等）。但是由于光生电子-空穴对的形成和复合是在一瞬间发生的，因而不对催化剂材料进行改性就容易导致光催化过程中电子-空穴对的复合效率很高^[9]。为了解决这个问题，近年来提出了各种方法来提高光催化CO₂还原效率，例如缺陷工程、元素掺杂、形态控制和异质结构建等。

1.3 CO₂的光电催化还原