在社会飞速发展的今天，人类大量燃烧化石燃料，释放二氧化碳，引起全球气候变暖的同时，非可再生能源的消耗也在威胁人类的生存。鉴于生态环境急剧恶化及资源短缺日益严重，将二氧化碳转化为低碳燃料或小分子有机化合物，不仅对二氧化碳减排有利，在一定程度上也能有效解决资源问题。

二氧化碳作为可再生资源具有广阔的应用前景及重要意义。由于二氧化碳热力学上的低能态，因此能量是其转化应用的基础；此外，二氧化碳分子动力学上的惰性决定了有效进行二氧化碳的转化反应必须进行活化，而活化二氧化碳分子的关键在于发展高效的催化剂体系^[1]。利用半导体进行二氧化碳的催化转化方法主要包括光催化、电催化以及光电催化。由于这些转化方式都在室温下进行，且反应中的H 来源于水，较为环保，受到了诸多研究人员的关注^[2]。

光催化指纳米半导体催化剂在光照的情况下被激发，光生电子由价带被激发到导带。由于光生电子具有很强的还原能力，被激发后传导至电解质溶液中被用来还原CO₂^[3]。CO₂电催化还原是指仅利用电能提供还原反应所需的能耗，以水作为质子的来源，对CO₂进行催化还原^[4]。光催化和电催化二氧化碳还原都有自己的优势，也各有自己的缺点，而将光催化与电催化结合能得到更好的结果。CO₂的光电催化还原是指半导体催化剂由光激发产生光生电子，之后光生电子在外加电压的引导下迁移到电极表面对CO₂进行催化还原的过程^[5]。光电催化CO₂还原可以看作是将光催化的能量供给优势与电化学的可控性特点结合起来的优化过程，在未来可再生能源驱动的CO₂转化利用中占据越来越重要的地位^[6]。

近年来，研究者将目光聚焦在能高效利用太阳可见光的催化剂上。其中纳米氧化铁备受青睐与关注。作为纳米新材料中的一类重要氧化物，由于其稳定的化学性质，较高的催化活性，良好的耐光性、耐候性和对紫外线的屏蔽性，使其具有广泛的应用价值和前景。此外，Fe₂O₃的禁带宽度是2.2eV，能吸收波长小于600nm的太阳光，高效利用40%的太阳光光谱能量，且成本低廉^[7]。从能带上来看，Fe₂O₃的价带电位为2.48eV，氧化能力较强。然而，其导带电位0.28eV ，位置较正，还原能力较差。从能带匹配理论来考虑，如果将其应用到 CO₂的光催化还原，需要匹配一种导带电位较负的催化剂，进而获得高效的催化还原性能^[8]。Cu₂O 是一种性能优异的p型半导体,禁带宽度1.8～2.2 eV，具有很强的还原性能^[9]。并具有无毒、易制备、化学稳定性好等优点。它具有特殊的光学和磁学性质，在光催化和光电转换等领域有潜在的应用前景^[10]。因此，我们选择Cu₂O跟Fe₂O₃进行能带匹配。两者匹配后，导带电位较负的Cu₂O具有足够的能力还原CO₂，同时价带电位较正的Fe₂O₃具有足够的能力氧化水，提供CO₂还原所需要的H^＋。 Fe₂O₃与Cu₂O的结合，有望实现水裂解CO₂还原两个反应的有机原位耦合^[8]。同时，Cu₂O具有很好的电催化性能，对催化产物具有高的选择性^[11]。因此，Fe₂O₃与Cu₂O的结合，不但有望获得高的光催化活性，而且还有望在CO₂的还原应用中实现光催化和电催化还原的有机结合。在本实验中，选择p型Cu₂O和n型α-Fe₂O₃设计成异质结，通过水热沉积法和L-抗坏血酸还原法制得复合材料，探究对CO₂光电还原的性能，并找到Fe₂O₃-Cu₂O的最优摩尔比。

2. 研究的基本内容与方案

本课题的研究目标：

（1）合成不同摩尔比的Fe₂O₃-Cu₂O复合材料；