微流控光反应器中铜掺杂钒酸铋催化CO2向乙醇转化机制及应用研究

　　本研究针对全球CO2减排需求，开发了铜掺杂钒酸铋（CuBVO）微流控光催化系统。通过可见光驱动反应，成功实现CO2向乙醇的高选择性转化（4.039 ppm），为碳中和目标提供了新型催化材料与反应器设计策略。

　　

随着2023年全球二氧化碳排放量达到创纪录的37.4吉吨，开发高效的碳转化技术已成为当务之急。传统的化石燃料消耗模式导致大气中CO₂浓度持续攀升，而现有催化体系存在光能利用率低、产物选择性差等问题。特别是在可见光催化领域，虽然可见光占据太阳光谱43%以上能量，但大多数催化剂仍存在电子-空穴复合率高、反应动力学缓慢等瓶颈。

针对这一挑战，来自墨西哥电化学技术研发中心的研究团队创新性地将微流控技术与钙钛矿基光催化剂相结合。他们选择钒酸铋（Bismuth Vanadate, BVO）这一具有适宜带隙（2.4 eV）的可见光催化剂作为基底，通过铜掺杂策略构建了具有哑铃形貌的复合催化材料。这种设计巧妙地利用了微流控系统的高比表面积、优异传质特性与催化剂的晶面调控优势，为CO₂还原反应提供了新的解决方案。

研究团队采用水热合成与浸渍法制备了0.5%和1%铜掺杂量的CuBVO材料，通过空气喷涂技术在微流控芯片内形成催化薄膜。实验系统包含可见LED光源（13.875 mW/cm²）和 syringe pump 驱动的CO₂饱和碳酸氢钠溶液循环体系。反应产物采用气相色谱进行定量分析，并结合X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和扫描电镜（SEM）等多重表征手段揭示材料构效关系。

材料表征结果显示，铜掺杂成功诱导了BVO晶格畸变，XRD图谱在28.8°位置出现向小角度的位移，表明铜离子进入了VO₄四面体结构。拉曼光谱中VO伸缩振动峰从830 cm^-1移至836 cm^-1，进一步证实了晶格掺杂效应。特别有趣的是，不同掺杂量导致形貌显著差异：0.5% CuBVO呈现矩形棒状结构，而1% CuBVO则形成暴露(010)和(110)晶面的哑铃形结构，这种形貌差异对催化性能产生决定性影响。

能带结构分析表明，铜掺杂在BVO价带顶上方形成受主能级，使1% CuBVO的带隙调整为2.6 eV，更有利于可见光吸收。EDX元素分析确认铜的成功掺杂，实际含量分别为1.48%（0.5%组）和1.89%（1%组），与设计值高度吻合。

光催化性能测试结果令人振奋：仅在1% CuBVO组中检测到乙醇生成，浓度达4.039 ppm，而未掺杂组和0.5%组均未产生可检测的还原产物。这种选择性归因于铜掺杂促进的电荷分离效率和特定晶面暴露。机制研究表明，铜离子作为电子中介体，有效抑制了电子-空穴复合，同时稳定了CO/CHO等关键中间体，降低了C-C耦合能垒。通过相邻CHO物种的偶联反应，最终经由CH₂CHO中间体形成乙醇。

与现有技术对比，该微流控系统展现出独特优势：其薄膜架构避免了传统浆料催化剂的传质限制，可见光驱动条件较紫外光系统更具实用价值，且乙醇选择性显著高于多数报道体系。特别值得注意的是，该工作首次在微流控平台上实现了铜掺杂BVO的CO₂-乙醇转化，为碳中和目标提供了新的技术路径。

研究结论确认了铜掺杂策略与微流控反应器协同增强CO₂光还原的可行性。1%铜掺杂量通过调控晶面暴露和电子结构，显著提升乙醇选择性和产率。该技术不仅为CO₂资源化利用提供了新材料体系，更展示了微流控光反应器在能源转化领域的应用潜力。未来研究将聚焦于反应器结构优化、催化机理深入解析以及系统放大策略，推动该技术向实际应用迈进。

这项由Darshana Rajput、Mauricio Trujillo Sánchez等学者合作完成的研究，标志着微流控光催化技术在碳中和技术领域取得重要进展，为开发高效人工光合系统提供了新思路。相关工作为应对气候变化和能源挑战提供了创新性的技术方案，具有重要的科学价值和应用前景。