Progress in the Construction of Metal Oxide Heterojunctions and Their Application in Photocatalytic CO2 Reduction

doi:10.7503/cjcu20230196

Abstract

Abstract:

China has put forward the strategic goals of “carbon emissions peak” in 2030 and “carbon neutrality” in 2060. It is of great significance to convert CO₂ into high-value-added chemical products and liquid fuels， which can reduce the dependence on coal， oil and other traditional resources while achieving carbon emission reduction. Photocatalytic CO₂ reduction is a very important way， and the design and preparation of efficient photocatalysts for CO₂ reduction are the key. Well-defined heterojunction structures between metals and semiconductors or semi- conductors with matching electronic band structures can effectively promote charge transfer and inhibit the recombination of photogenerated electrons and holes， thus improving the photocatalytic performance. This review focuses on the recent progress of oxide-based heterostructures for photocatalytic CO₂ reduction， and systematically summarizes the types and components of the formation of heterostructures， and expounds the internal mechanism of improving the performance of CO₂ photocatalysis. Furthermore， the direction of research in this field is also prospected.

Key words: Metal oxide, Heterojunction, Photocatalysis, CO₂ Reduction

CLC Number:

O613.3

TrendMD:

LI Mengdie, WANG Zumin, QI Jian, YU Ranbo. Progress in the Construction of Metal Oxide Heterojunctions and Their Application in Photocatalytic CO₂ Reduction[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(10): 20230196.

Figures/Tables 24

Table 1 Catalytic behaviors of TiO2 promoted by noble metal cocatalysts for photocatalytic reduction of CO2 in the presence of H2O vapor a

Photocatalyst ^b	Formation rate/（µmol·g^-1·h^-1）			R（e^-）/ （µmol·g^-1·h^-1）	Selectivity for CO₂ reduction（%）	Transient photocurrent responses/（μA·cm^-2） ^c
Photocatalyst ^b	CO	CH₄	H₂	R（e^-）/ （µmol·g^-1·h^-1）	Selectivity for CO₂ reduction（%）	Transient photocurrent responses/（μA·cm^-2） ^c
TiO₂	1.2	0.38	2.1	10	56	ca. 10
Pt⁃TiO₂	1.1	5.2	33	110	40	ca. 158
Pd⁃TiO₂	1.1	4.3	25	85	42	ca. 140
Rh⁃TiO₂	0.62	3.5	18	66	45	ca. 63
Au⁃TiO₂	1.5	3.1	20	67	41	ca. 99
Ag⁃TiO₂	1.7	2.1	16	51	39	ca. 43

Table 2 Photocatalysts developed using the SPR effect of Au NPs, Ag NPs

Photocatalyst	Light source	Plasmonic NPs	Main product	Side product	Highest rate/（μmol·g^-1·h^-1）	AQE（%）	Ref.
Cu@Cu₂O/C⁃350	Visible light irradiation （420 nm<λ<780 nm）	Cu	HCOOH	—	31 μg/h	0.12（560 nm）	［34］
ZnO⁃Cu⁃CdS	300 W Xe lamp	Cu	CH₄	CO	890	8.8（420 nm）	［39］
Au⁃3DOM TiO₂	300 W Xe lamp λ>420 nm	Au	CH₄	—	23.1	—	［40］
Ag⁃TiO₂ hollow sphere	300 W Xe lamp λ>420 nm	Ag	CH₄	—	1.5	—	［41］
Pd⁃Au/Al₂O₃	Xe lampλ>420 nm	Au	CH₄	—	930.3	—	［42］
Pt⁃Au/SiO₂	Visible light 300 nm<λ<800 nm	Au	CO	H₂	68.6	2.83（520 nm）	［43］

Table 3 Summary of the properties and catalytic performance of representative Ni12P5 samples

Sample	Ni₁₂P₅ TEM mean particle size/nm	CO rate/（mmol·g $c a t - 1$ ·h^-1）	CO selectivity（%）
Ni₁₂P₅	86±30	156±3	99.5±0.1
10.4% Ni₁₂P₅/SiO₂	13±7	960±12	99.7±0.1
5.2% Ni₁₂P₅/SiO₂	9±3	678±13	99.7±0.1
3.1% Ni₁₂P₅/SiO₂	8±4	334±10	99.7±0.1

Table 3 Summary of the properties and catalytic performance of representative Ni12P5 samples

Sample	Ni₁₂P₅ TEM mean particle size/nm	CO rate/（mmol·g $c a t - 1$ ·h^-1）	CO selectivity（%）
Ni₁₂P₅	86±30	156±3	99.5±0.1
10.4% Ni₁₂P₅/SiO₂	13±7	960±12	99.7±0.1
5.2% Ni₁₂P₅/SiO₂	9±3	678±13	99.7±0.1
3.1% Ni₁₂P₅/SiO₂	8±4	334±10	99.7±0.1

Table 4 Typical photocatalytic CO2 reduction systems using transition metal phosphides as co-catalysts

Photocatalyst	Light source	Main product	Side product	Rate of main product/（μmol·g^-1·h^-1）	Ref.
1∶10⁃GaP/TiO₂	1500 W high pressure Xe lamp	CH₄	—	11.818	［65］
In₂O₃@InP₆₀/Cu₂O⁃1	300 W Xe lamp	CH₄	CO	7.76	［66］
Ni₂P/NiO/CN（0.25）	Visible⁃light from a Xe lamp（PLS⁃SXE300UV） λ>420 nm	CO	CH₄	1.506	［67］

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Progress in the Construction of Metal Oxide Heterojunctions and Their Application in Photocatalytic CO₂ Reduction

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