催化学报 ›› 2025, Vol. 70: 5-7.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60223-8
刘晓明a,*(
), 姜志锋b,*()
Xiaoming Liua,*(), Zhifeng Jiangb,*()
摘要：
化石燃料的过度使用及其引发的CO2排放带来了严峻的能源和环境挑战. 太阳能驱动CO2转化为增值燃料是一种可持续且有前景的解决方案. 然而, 光生电子-空穴对的快速复合限制了CO2光还原的效率. 为应对这一挑战, 采用具有交错能带结构的氧化型和还原型光催化剂耦合形成S型异质结复合光催化剂是有效策略. 其中, 弱还原氧化能力的光生载流子会复合, 保留强还原氧化能力的光生电子和空穴参与光催化反应. 这不仅提升了载流子的分离效率, 还增强了催化体系还原氧化能力, 从而显著提高光催化效率. 近年来, 许多S型异质结被开发以提升光催化CO2还原性能; 然而, 大部分光催化剂在合成过程中会形成缺陷能级, 影响电荷转移动力学、传输路径以及表面催化反应. 缺陷能级的深度在其中又起着至关重要的作用, 但尚未得到充分探索, 导致对S型异质结光催化体系的理解和优化存在空白.
Xu等人开发了具有可控缺陷能级的WO3-x/In2S3 S型异质结, 在无需分子催化剂和牺牲剂的情况下显著提升了光催化CO2还原性能. 密度泛函理论计算表明, WO3-x中深缺陷能级降低了其功函数, 减小了WO3-x与In2S3之间的费米能级差, 影响了两相接触时的界面电荷转移, 导致较弱的内建电场, 从而影响光生载流子的转移和分离. 原位光照X射线光电子能谱和飞秒瞬态吸收光谱分析表明, WO3-x/In2S3 S型异质结中深度适中的缺陷能级可以作为电子临时储存库, 通过快速捕捉并缓慢释放光生电子, 有效延长载流子寿命, 提升光催化性能. 此外, 吉布斯自由能计算表明, 缺陷能级深度适中的WO3-x通过形成亚稳态的*O中间体, 降低了H2O氧化反应的决速步能垒, 促进了H2O转化为自由氧气分子, 有效推动H2O氧化和CO2还原反应. 重要的是, *O中间体会优先占据氧空位, 防止了氧气还原造成的不必要电子消耗, 确保了光生电子在CO2光还原中的高效利用.
综上所述, 该工作强调了WO3-x/In2S3 S型异质结的创新设计, 通过可调的带内缺陷能级延长载流子寿命并提高光催化效率. 该研究为开发下一代光催化剂并推动可持续人工光合作用技术的发展提供了重要的指导.
