摘要：

全球经济的快速发展导致了化石燃料的过度开采和燃烧, 不仅造成了严重的能源危机, 也导致了持续的CO₂排放. 虽然太阳能是一种清洁的可再生能源, 但它面临着昼夜、季节变化大, 且难以存储等挑战. 利用光催化技术将太阳能转化为可存储的化学能是解决能源短缺和环境问题的有效途径. 光催化CO₂还原技术, 以开发高效光催化剂为核心, 为将CO₂转化为具有高附加值的碳氢燃料提供了一种清洁环保的方法, 同时为解决全球能源危机和气候变化问题提供了可行的解决方案. 传统的光催化剂, 如: 单组分光催化剂和传统II型异质结光催化剂, 存在光生载流子复合速度快、还原氧化能力削弱等问题, 严重影响了光催化性能. 选择还原型半导体和氧化型半导体耦合构建S型异质结复合光催化剂已被证明可以有效实现具有强氧化还原能力的光生载流子的高效分离、促进光催化反应并增强光催化性能. 然而, 传统S型异质结复合材料通过两步或多步策略制备得到, 两相间有限的接触面积阻碍了光生载流子的有效界面传输, 降低了光催化效率.

为解决该关键问题, 中国地质大学(武汉)余家国教授和徐飞燕副教授等最近采用了一步静电纺丝技术将还原型Nb₂O₅和氧化型In₂O₃进行耦合, 设计了一种In₂O₃/Nb₂O₅ S型异质结复合光催化剂. 通过将两相的前驱体溶液混合在同一静电纺丝溶液中, 在高温煅烧过程中同时生成In₂O₃和Nb₂O₅. In₂O₃/Nb₂O₅异质结的高分辨透射电镜图像及部分区域放大的元素面分布图像显示出清晰的两相界面及元素非重叠分布, 证实了复合纳米纤维中In₂O₃和Nb₂O₅纳米颗粒间最大程度地紧密接触, 有助于促进In₂O₃和Nb₂O₅间无障碍的超快界面电荷转移. 飞秒瞬态吸收光谱结果表明, 在10 ps内, In₂O₃导带上的光生电子转移到Nb₂O₅价带上, 有效抑制了自身载流子复合, 实现了Nb₂O₅导带上还原能力强的光生电子和In₂O₃价带上氧化能力强的光生空穴的高效分离, 延长了复合纳米纤维中载流子的寿命. 得益于界面超快电子转移诱导的高效载流子分离和载流子寿命的延长, 以及CO₂分子在催化剂表面的化学吸附和活化, 所制备的In₂O₃/Nb₂O₅异质结在光催化CO₂还原方面表现出较好的性能, 在不使用任何分子助催化剂或牺牲剂的情况下, CO的产率达到0.21 mmol g_{active sites}^-1 h^-1.

综上所述, 该文章介绍了一种通过一步合成策略得到的In₂O₃/Nb₂O₅ S型异质结复合光催化剂, 其具有超快的界面电子转移、延长的载流子寿命和增强的光催化CO₂还原性能. 文章通过飞秒瞬态吸收光谱深入研究了S型异质结界面的超快电荷转移动力学, 推动了异质结的研究并拓宽了其在人工光合成中的潜在应用.

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