申文杰

(中國科學院大連化學物理研究所，遼寧大連116023)

缺陷態(tài)釩酸鉍超薄結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效穩(wěn)定的光還原二氧化碳性能

申文杰

(中國科學院大連化學物理研究所，遼寧大連116023)

人工光催化還原二氧化碳是利用太陽能激發(fā)半導體光催化材料產(chǎn)生光生電子與空穴，誘發(fā)氧化-還原反應將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為碳氫燃料，是一種轉(zhuǎn)化和利用CO2的新途徑。與其它方法相比，該過程在常溫常壓下進行，直接利用太陽能，可實現(xiàn)碳的循環(huán)使用，因而被認為是最具前景的CO2轉(zhuǎn)化方法之一1,2。近年來，研究表明一些氧化物和硫化物等具有光還原CO2活性，但這些材料低的光轉(zhuǎn)換效率以及嚴重的光腐蝕限制了其進一步的應用1?5。為了解決這些問題，科研工作者們發(fā)展出了多種方法5,6；其中，在光催化材料中引入缺陷是一種很有前景的途徑，它可以有效地調(diào)控光催化過程，從而有助于改善光還原CO2的性能。但是，到目前為止，缺陷結(jié)構(gòu)的存在對于半導體材料光還原CO2性能的影響機制尚不清楚；這主要是因為以往常用的光催化劑尺寸較大，導致大多數(shù)缺陷分布在光催化劑內(nèi)部而無法有效地參與催化反應，從而無法明確光催化材料中的缺陷結(jié)構(gòu)對其光還原CO2性能的影響。

為了揭示缺陷結(jié)構(gòu)對光還原CO2性能的影響，

中國科學技術(shù)大學謝毅教授、孫永福教授課題組

巧妙地構(gòu)建了理想結(jié)構(gòu)模型：富/貧缺陷的二維超薄結(jié)構(gòu)。以正交相釩酸鉍為例7，他們利用一種雜化中間體輔助法制備了不同釩缺陷含量的釩酸鉍超薄結(jié)構(gòu)，并對其物相和結(jié)構(gòu)進行了詳細的表征。X射線衍射花樣證實了所獲得的產(chǎn)物為[001]取向的正交相釩酸鉍；原子力顯微鏡表征結(jié)果顯示所制備的二維超薄片厚度僅為1.28 nm，對應著正交相釩酸鉍在[001]方向一個晶胞的厚度。正電子湮沒譜以及X射線熒光光譜證實了在不同反應溫度下得到的正交相釩酸鉍超薄結(jié)構(gòu)具有不同的釩缺陷含量，可以作為一種理想的材料模型體系用來研究光催化劑中的缺陷結(jié)構(gòu)對其自身光還原CO2性能的影響。

表面光電壓譜和時間分辨的熒光壽命測試結(jié)果表明，含有較多釩缺陷的釩酸鉍超薄結(jié)構(gòu)能夠更有效的促進光生載流子的分離，獲得高達398.3 μmol·g?1·h?1的甲醇生成速率，這比含有較少釩缺陷的釩酸鉍超薄結(jié)構(gòu)的甲醇生成速率提高了1.4倍。更為重要的是，經(jīng)過96 h的催化反應，這種含有較多釩缺陷的釩酸鉍超薄結(jié)構(gòu)的光催化活性沒有發(fā)生明顯衰減，證實了它優(yōu)異的光穩(wěn)定性。該工作表明在光催化材料表面引入適量的缺陷可以有效地改善其光催化還原CO2的活性和穩(wěn)定性。該研究成果近期發(fā)表在Journal of the American Chem ical Society雜志上7。

(1)Thoi,V.S.;Kornienko,N.;M argarit,C.G.;Yang,P.D.;Chang, C.J.J.Am.Chem.Soc.2013,135,14413.doi:10.1021/ ja4074003

(2)Liang,L.;Lei,F.C.;Gao,S.;Sun,Y.F.;Jiao,X.C.;Wu,J.; Qamar,S.;Xie,Y.Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,13971.doi: 10.1002/anie.201506966

(3)Wang,S.B.;Wang,X.C.Appl.Catal.B:Environ.2015,162, 494.doi:10.1016/j.apcatb.2014.07.026

(4)Li,F.W.;Zhao,S.F.;Chen,L.;Khan,A.;Macfarlane,D.R.;Zhang,J.Energy Environ.Sci.2016,9,216.doi:10.1039/ c5ee02879e

(5)White,J.L.;Baruch,M.F.;Pander,J.E.,III;Hu,Y.;Fortmeyer, I.C.;Park,J.E.;Zhang,T,Liao,K.;Gu,J.;Yan,Y.;Shaw,T.W.; Abelev,E.;Bocarsly,A.B.Chem.Rev.2015,115,12888.doi: 10.1021/acs.chem rev.5b00370

(6)Sekizawa,K.;Maeda,K.;Domen,K.;Koike,K.;Ishitani,O. J.Am.Chem.Soc.2013,135,4596.doi:10.1021/ja311541a

(7)Gao,S.;Gu,B.C.;Jiao,X.C.;Sun,Y.F.;Zu,X.L.;Yang,F.; Zhu,W.G.;Wang,C.M.;Feng,Z.M.;Ye,B.J.;Xie,Y.J.Am. Chem.Soc.2017,doi:10.1021/jacs.6b11263

Freestanding Defective Single-Unit-Cell Bismuth Vanadate Layers Enable High Efficiency and Exceptional Durability in CO2Photoreduction

SHENWenjie
(Dalian Institute ofChemical Physics,Chinese Academy ofSciences,Dalian 116023,Liaoning Province,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201702231

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