催化学报 ›› 2024, Vol. 62: 277-286.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60058-6

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电荷迁移方向调控的BiVO4量子点/苝四羧酸Z型异质结与纳米金修饰在人工光合成H2O2中的协同作用

梁腾, 李雨彤, 徐帅, 姚宇欣, 许荣萍, 边辑*(), 张紫晴*(), 井立强*()   

  1. 黑龙江大学化学化工与材料学院, 功能无机材料化学教育部重点实验室, 催化技术国际联合研究中心实验室, 黑龙江哈尔滨 150080
  • 收稿日期:2024-04-10 接受日期:2024-05-22 出版日期:2024-07-18 发布日期:2024-07-10
  • 通讯作者: 电子信箱: bianji@hlju.edu.cn (边辑), zhangzq@hlju.edu.cn (张紫晴), jinglq@hlju.edu.cn (井立强).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(U2102211);国家自然科学基金(22105066);国家自然科学基金(22202064);国家自然科学基金(U23A20576);黑龙江省自然科学优秀青年基金(YQ2022B009);黑龙江省自然科学优秀青年基金(YQ2023B008)

Synergy of charge migration direction-manipulated Z-scheme heterojunction of BiVO4 quantum dots/perylenetetracarboxylic acid and nanosized Au modification for artificial H2O2 photosynthesis

Teng Liang, Yutong Li, Shuai Xu, Yuxin Yao, Rongping Xu, Ji Bian*(), Ziqing Zhang*(), Liqiang Jing*()   

  1. Key Laboratory of Functional Inorganic Materials Chemistry (Ministry of Education), School of Chemistry and Materials Science, International Joint Research Center for Catalytic Technology, Heilongjiang University, Harbin 150080, Heilongjiang, China
  • Received:2024-04-10 Accepted:2024-05-22 Online:2024-07-18 Published:2024-07-10
  • Contact: E-mail: bianji@hlju.edu.cn (J. Bian), zhangzq@hlju.edu.cn (Z. Zhang), jinglq@hlju.edu.cn (L. Jing).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(U2102211);National Natural Science Foundation of China(22105066);National Natural Science Foundation of China(22202064);National Natural Science Foundation of China(U23A20576);Outstanding Youth Science Foundation of Heilongjiang Province(YQ2022B009);Outstanding Youth Science Foundation of Heilongjiang Province(YQ2023B008)

摘要:

利用太阳能驱动的半导体光催化技术将H2O和O2转化为H2O2, 是传统蒽醌工艺的可持续替代方案之一. 在光催化O2还原生产H2O2的过程中, 主要涉及到O2的还原和H2O的氧化两个半反应. 然而, 单一的窄带隙半导体往往难以满足整体反应的热力学电位要求. 为了克服这一挑战, 研究人员借鉴自然光合作用的原理, 提出了构建Z型异质结体系的策略. 这种体系不仅能有效促进电荷的分离, 从而增强光催化效率, 而且能保留光生电荷较强的氧化还原能力, 这对于H2O2的光合成至关重要. 此外, O2的活化对于H2O2光合成同样重要. 然而, 目前在构建Z型异质结时, 对于Z型异质结的两组分自身电荷传输方向的匹配性鲜有关注. 因此, 构建具有电荷定向传输的Z型异质结, 并精准负载O2活化位点, 对于提高H2O2的光合成效率和稳定性具有重要意义.

本文以苝-3,4,9,10-四羧酸二酐(PTCDA)为前驱体, 在水解的过程中, 引入预制备的钒酸铋量子点(BQD), 原位构建BQD/PTA Z型异质结. 然后, 通过低温辅助光还原策略将纳米Au精确修饰在苝四甲酸(PTA)上, 制得具有定向电荷传输的BQD/PTA-Au Z型异质结. 形貌表征结果表明, PTA的形态为平均厚度为3.5 nm的不规则纳米片, 其表面均匀负载了直径约为7 nm的BQD纳米颗粒, 而超小的Au纳米粒子(直径约为5 nm)则负载在PTA纳米片的边缘. 优化后的BQD/PTA-Au异质结光催化H2O2产率为218.6 μmol g‒1 h‒1, 约为PTA纳米片的6.4倍; 此外, 在405 nm波长下, 该异质结的表观量子产率为PTA的4.8倍. 在模拟太阳光条件下, BQD/PTA-Au异质结的太阳能到化学能转换效率(SCC)为0.47%; 且在连续5次的循环实验中表现出良好的稳定性. 光物理和光化学测试结果表明, BQD/PTA Z型异质结的构建显著促进了PTA的电荷分离, Au修饰后复合体的电荷分离进一步增强. 扫描开尔文探针(SKP)测试结果表明, BQD和PTA的能带结构满足Z型电荷传输路径, 电子顺磁共振和原位X射线光电子能谱分析结果表明, 所构建的Z型异质结由于电荷传输方向匹配, 显著促进·O2‒自由基的形成; 而后续的Au修饰则能够定向接受来自PTA的光生电子. 旋转圆盘电极测试结果表明, BQD/PTA-Au的平均电子转移数最接近2, 说明其遵循两电子氧还原反应(ORR)路径. 结合物种捕获实验推测, ·O2‒自由基是BQD/PTA-Au异质结光合成H2O2的主要活性物种. 原位漫反射红外光谱测试证实, 纳米Au修饰可进一步提高O2在催化剂表面吸附, 并加速两电子的O2还原反应.

综上, 本文围绕着具有各向异性电荷迁移的PTA, 设计构建了电荷定向迁移的Z型异质结体系, 实现了高效的H2O2光合成, 为高效Z型异质结体系设计构建提供了新思路.

关键词: Z型异质结, 苝四甲酸, BiVO4量子点, H2O2光合成, 氧还原

Abstract:

Herein, perylenetetracarboxylic acid (PTA) nanosheets with anisotropic charge migration driven by the formed internal electric fields are synthesized through a facile hydrolysis-reassembly process. Strategically, a Z-scheme heterojunction with free-flowing interfacial charge transfer and spatially separated redox centers is constructed based on the distinct photogenerated electrons and holes accumulation regions of PTA nanosheets by in-situ introducing BiVO4 quantum dots (BQD) and nanosized Au. The optimized BQD/PTA-Au exhibits a ca. 6.4-fold and 4.8-fold enhancement in H2O2 production rate and apparent quantum yield at 405 nm compared with pristine PTA, respectively. The exceptional activities are attributed to the cascade Z-scheme charge transfer followed the matched charge migration orientation, as well as the Au active sites for accelerating 2e− oxygen reduction pathway induced by superoxide radicals, as unraveled by electron paramagnetic resonance, in-situ irradiated X-ray photoelectron spectroscopy and in-situ diffuse reflectance infrared Fourier transformation spectroscopy. This work provides a strategy to design an efficient Z-scheme system towards solar-driven H2O2 production.

Key words: Z-scheme heterojunction, Perylenetetracarboxylic acid, BiVO4 quantum dots, H2O2 photosynthesis, Oxygen reduction<br