表面活化促进铋系纳米片高效光催化二氧化碳还原
2022-12-12
摘要：这一方法使得Bi2MoO6 等金属氧化物纳米片表面对CO2 分子的吸附活化能垒降低，同时促进了光生电荷的分离和转移，进而提高了光催化CO2活性
随着大气中温室气体的浓度持续上升，全球平均气温也逐步提高。这一过程在短时间内是不可逆的。因此消除温室气体，开发可再生的清洁能源关系到全人类的生存和可持续发展。光催化作为一种极具潜力的太阳能利用手段，可以将CO2转化为高附加值的燃料和化学品，有利于解决全球能源短缺和环境危机。
但是CO2分子较高的碳氧双键键能和对称性的分子结构使其吸附和活化需要越过极高的能垒。因此开发一种简便环保有普适性的方法活化催化剂表面，使其对CO2分子的亲和力大大增强，成为一种有效的途径。此外，光催化CO2还原这一反应又涉及到复杂的多电子转移路径，导致了复杂的催化产物和反应动力学。如何构建性能优异、稳定廉价环保的光催化反应体系成为该领域的巨大挑战。
澳大利亚阿德莱德大学化工与先进材料学院乔世璋教授研究团队开发了一种超声辅助的表面化学刻蚀方法在一系列铋基氧化物的（010）表面构建活性位点。这一方法使得Bi2MoO6 等金属氧化物纳米片表面对CO2 分子的吸附活化能垒降低，同时促进了光生电荷的分离和转移，进而提高了光催化CO2活性。这一方法同时也适用于BiVO4与Bi2WO6 等其他的光催化剂。
Bi2MoO6纳米片有利于暴露更多地活性位点。这些活性中心由引入其（010）表面的氧空位产生。这些氧空位引起了晶格畸变，暴露出与其配位的金属中心，成为了CO2 活化的中心。原位红外测试表明在刻蚀的纳米片表面产生了更多的CO2 吸附物种。DFT理论模拟计算也证明CO2 分子在其表面接受了更多来自催化剂的电子并降低了吸附能，这些使得CO2 分子的键长和键角发生更明显的变化。修饰的纳米片表面降低了二氧化碳还原中重要中间体转化的能垒。一系列的光谱和电化学表征表明整个反应体系中光生电荷的分离和转移也得到加强。
最终，该活化的纳米片表面展现出高的活性、选择性和稳定性。该工作为开发新型光催化剂提供了一种表面工程新策略。
论文信息
Facet-specific Active Surface Regulation of BixMOy (M=Mo, V, W) Nanosheets for Boosted Photocatalytic CO2 reduction
Yanzhao Zhang, Dr. Xing Zhi, Dr. Jeffrey R. Harmer, Prof. Haolan Xu, Dr. Kenneth Davey, Dr. Jingrun Ran, Prof. Shi-Zhang Qiao
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202212355
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