流体流动与碳捕获与封存（CBM）的生产效率：注入压力和储层条件对二氧化碳（CO?）注入性能的影响——对二氧化碳增强型碳捕获与封存（CO?-ECBM）注入过程及排水程度的启示

《Process Safety and Environmental Protection》：Fluid flow and CBM productivity-CO 2 injectivity evaluations induced by injection pressure and reservoir condition: Implications for CO 2-ECBM injection process and drainage degree

本研究通过水热法制备了S-scheme异质结Bi4O5Cl2/g-C3N5催化剂，通过缺陷工程和异质结设计显著提升CO2光催化还原效率，CO生成率达57.2 μmol·g?1·h?1，较纯材料提高3.76倍，电荷分离效率提高4.15倍，并形成C-Cl电子传输通道及*COOH中间体，验证反应机制为CO2→*COOH→*CO→CO。

　　

Jie Gu|明霞·田|袁张|莉莉·黄|北北·孙|勇秦|建辉·江

新疆生产建设兵团南疆化学资源利用工程实验室，塔里木大学化学与化学工程学院，阿拉尔，843300，中国

摘要

光催化CO₂还原对于实现碳中和至关重要；然而，其低效率仍然是一个重大挑战。通过缺陷工程和异质结构建可以增强CO₂的光催化性能。在本研究中，使用水热法成功合成了S-结构的Bi₄O₅Cl₂/g-C₃N₅催化剂。经过优化后，在可见光照射下的CO生成速率显著提高至57.2 μmol·g^-1·h^-1，分别比原始的Bi₄O₅Cl₂和g-C₃N₅提高了3.76倍和4.15倍。表征表明，这种优异的性能归因于缺陷工程和S-结构异质结的协同作用，其中C–Cl键作为电子转移通道。这种协同作用显著增强了CO₂的吸附和载流子分离效率。循环测试表明，优化后的催化剂表现出优异的稳定性，在连续六次循环后仍保持催化活性。原位红外光谱揭示了*COOH中间体的形成途径，证实了反应机理：CO₂ → *COOH → *CO → CO。本研究提供了一种通过缺陷工程和S-结构异质结设计协同增强CO₂转化效率的新策略。

引言

尽管化石燃料的大规模开发和利用显著推动了社会经济进步，但它们也导致了资源枯竭和过量CO₂排放等严重问题（Amann等人，2013年；Lasek等人，2013年；Liu等人，2023年）。光催化技术利用太阳能（一种可再生和清洁的能源）将污染物CO₂还原为燃料，提供了一个有前景的解决方案。这种方法可以解决当前的能源短缺问题，同时减轻由CO₂过量排放引起的温室效应，对于推动能源发展和环境污染治理具有重要意义（Mane等人，2017年；Wang等人，2019年；Qi等人，2020年；Liu等人，2020年；Sathish等人，2021年；Peng等人，2022年）。

然而，由于CO₂的非极性分子结构和高键能，其光催化还原仍然具有挑战性，这阻碍了反应动力学。因此，迫切需要具有增强CO₂吸附和转化能力的高效光催化剂，这需要对半导体光催化剂进行深入的设计优化（Zhang等人，2023a；Zhang等人，2025年；Rana等人，2024年；Yang等人，2013年）。传统光催化剂（如TiO₂和ZnO）的宽带隙结构使其光吸收主要限于紫外光谱，对可见光的响应几乎可以忽略不计。因此，开发对可见光敏感的光活性材料至关重要（Cao等人，2015年；Wang等人，2021a；Mazzanti和Savateev，2020年；Ruban等人，2020年；Kim等人，2020年）。新兴的光催化剂（如CdS）表现出优异的可见光吸收能力；然而，由于产生的电子-空穴对迅速重组，其实际应用受到限制，导致催化效率低下。因此，设计结合强可见光响应性和高效载流子分离的光催化剂至关重要（Kumar等人，2019年；Huang等人，2018年；Zhang等人，2021a；Zhang等人，2021a）。

g-C₃N₅是一种石墨碳氮化物衍生物，由于其众多优点（包括低成本、易于合成、无毒、优异的稳定性和可调的电子性质）而受到广泛关注（Han等人，2023年）。它具有丰富的富电子中心和窄带隙（约1.75 eV），并且由于其扩展的π共轭系统而表现出出色的光电化学性能。此外，其分子结构中的碱性氮基进一步增强了其在光催化中的应用潜力（Zhang等人，2023b；Wu等人，2022年；Cai等人，2022年；Yin等人，2021年）。氧化铋（Bi₄O₅Cl₂）是另一种有前景的光催化剂，由于其优异的载流子分离效率和在光催化反应中的强氧化还原能力而受到广泛研究。然而，其相对较宽的带隙限制了其对可见光的响应性（Jiang等人，2012年）。一般来说，单组分半导体存在固有的局限性。例如，尽管窄带隙的g-C₃N₅表现出强可见光吸收能力，但它容易发生光生载流子的快速复合。相反，宽带隙的Bi₄O₅Cl₂表现出高效的载流子分离能力，但可见光利用率有限。因此，在这两种半导体之间构建紧密的界面异质结是一种可行的方法，以克服各自的缺点。通过结合g-C₃N₅的优异可见光捕获能力和Bi₄O₅Cl₂的高载流子分离效率，可以开发出具有优异光催化活性的混合光催化剂。

缺陷工程在高效CO₂光催化还原系统的开发中起着关键作用，是优化光催化剂的关键研究方向（Hu等人，2014年；Li等人，2014a）。先前的研究表明，在材料表面引入适当的和稳定的缺陷结构可以增强基底吸附能力，通过带隙调制拓宽光子响应范围，并优化电子-空穴分离和迁移中的载流子分离动力学（Li等人，2014b；Weng等人，2015年）。在传统的II型异质结中，光生载流子的有效空间分离往往与材料框架内的全局氧化还原活性的优化相冲突。相反，S-结构异质结系统将电子受体光催化剂与电子供体光催化剂相结合，提供了一种解决这些限制的替代方法。这样的系统可以促进定向的界面电荷转移，同时保持彼此偏移的带结构的电化学兼容性，从而实现高效的电子-空穴对分离和强氧化还原活性（Li等人，2017年；Zhang等人，2021b；Jiamprasertboon等人，2023年；Ren等人，2022年；Huo等人，2021年；Li等人，2020年；Zhao等人，2019年；Wang等人，2018a）。然而，单独的缺陷工程或异质结构建都无法显著提高光催化效率。因此，结合缺陷调制、异质结设计和其他优化技术的协同多策略方法可以进一步提高光催化性能。

为了解决上述挑战，本研究提出了一种结合缺陷工程和S-结构异质结构建的协同策略，以实现高效的CO?光还原。首先通过酸修饰制备了缺氮的g-C?N?，然后使用乙二醇作为溶剂原位合成了具有氮-氧双缺陷的Bi?O?Cl?/g-C?N?复合材料。本研究的新颖之处在于三个方面：首先，合理结合窄带隙的g-C?N?（优异的可见光吸收）和宽带隙的Bi?O?Cl?（优异的载流子分离），形成S-结构异质结，从而同时确保强氧化还原能力和高效的载流子分离；其次，通过酸修饰和水热处理引入氮-氧双缺陷，显著增强了CO?吸附并提供了更多活性位点；第三，形成了有效的电子转移通道C–Cl键，进一步促进了两种组分之间的定向电荷迁移。这种多维协同设计克服了单组分半导体的固有局限性和单独修饰策略的不足性能，从而为开发高效CO?还原光催化剂提供了一种新颖而有效的方法。

试剂

以下化学试剂均来自Sigma-Aldrich，使用其原始形式（合成过程中使用的额外高纯度试剂除外），以确保后续化学转化中的杂质干扰最小：五水合硝酸铋（Bi(NO₃)₃·5H₂O，纯度99%），3-氨基-1,2,4-三唑（3-AT，纯度96%），乙二醇（≥99.5%纯度），氯化钾（KCl）和三乙醇胺（TEOA）。

样品制备

g-C₃N₅的合成：根据修改后的文献

XRD分析

使用XRD数据分析了BOC、BOC/CN和g-C₃N₅样品的相组成。如图1a所示，Bi₄O₅Cl₂的衍射峰对应于氧化铋相（PDF#73-2060），而g-C₃N₅在27.6°处显示出特征性的（002）晶面峰，这可以归因于三-三嗪片段的平面排列和规则的层间结构。所有BOC/CN样品都显示出BOC和g-C₃N₅的XRD峰，证实了成功的

结论

总结来说，使用原位生长方法成功制备了BOC/CN异质结光催化剂。综合表征表明，BOC/CN5%复合材料表现出优异的CO₂吸附能力，CO₂吸附等温线证明了这一点。UV-Vis DRS、PL谱、EIS和光电电流评估共同表明，BOC和CN之间的异质结形成显著增强了光学范围内的吸收。

未引用的参考文献

Ma等人，2024年；Zhao等人，2022年；Chen等人，2025年；Shi等人，2022年；Guo等人，2020年；Wang等人，2023年

CRediT作者贡献声明

袁张：资源管理、项目行政。明霞·田：数据验证、数据管理。莉莉·黄：软件、资源、概念化。GU JIE：资源管理、项目行政、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。勇秦：项目行政。北北·孙：软件、资源。建辉·江：资源管理、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了新疆生产建设兵团科学技术计划（2025BC009）和自然科学支持计划（2024DA036）的资助。

数据可用性声明

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