【催化】Angew. Chem.：构建三元串联晶面结提升电荷分离和光催化活性学术资讯

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电荷分离效率是决定光化学反应能量转换效率的关键因素之一。在光催化反应过程中，光生电子和空穴需要有效分离并转移到催化剂的表面反应位点，再分别参与到还原和氧化反应中。虽然贵金属沉积和异质结构建可以有效地改善表面电荷分离，但也存在着成本高、异质界面作用差等问题。晶面工程是提高表面电荷分离的有效策略，不同的晶面具有不同的几何结构和电子结构，因而表现出不同的物理化学性质。高指数晶面由于具有高密度的低配位原子、边缘和褶皱，提供了较多的高活性催化位点。此外，具有各向异性的共暴露晶面也已被证实能够驱动光生电子和空穴定向迁移，实现高效的空间电荷分离。因此，构建具有还原和氧化位点空间分离的单晶光催化剂可以有效减少光生电子和空穴复合，从而提高光催化活性。BiOCl是典型的层状铋系光催化材料，被用于催化各类反应。其晶体结构由(Bi2O2)2+层和双层Cl-离子组成，由于独特的层状结构，使BiOCl容易择优生长为四方片，即{001}顶面和{110}侧面暴露的层状晶体（有6个低指数暴露面）。因此，制备具有多个高晶面指数共暴露面的BiOCl晶体，进一步提高其电荷分离效率和催化效率具有重大的意义和挑战。

最近，中国地质大学（北京）的张以河教授和黄洪伟教授通过简单地控制水热反应时间制备了{001}、{102}和{112}系列高指数晶面共暴露的BiOCl十八面体，并对其电荷分离机制以及光催化氧化和还原性能进行了深入研究。

该课题组通过反应时间调控的水热法制备出十八晶面BiOCl，通过近边X射线吸收精细谱结构和X射线衍射、拉曼等表征对晶体结构进行分析，发现十八晶面BiOCl较四方片状BiOCl具有更高的结晶性；利用球差扫描透射电镜和晶系特点，确定了十八晶面BiOCl暴露面为{001}顶面、{112}侧面和{102}侧面。基于不同晶面的能带结构和静电势的理论计算发现，其暴露的三套晶面可形成能带完好匹配的三元串联晶面结，光生电子从{112}面经{102}面逐级传递富集于{001}面，光生空穴从{001}面经{102}面逐级传递富集于{112}面，实现了光生电子和空穴高效的空间分离。此外，这一理论计算结果得到了Pt和MnOx的选择性光沉积实验的证实。因此，十八晶面BiOCl表现出了大幅提升的光催化还原制氢和光催化氧化产羟基自由基（N2氛围）性能。该工作将有助于加深我们对光催化材料表面电荷迁移行为的理解，并为合成多晶面共暴露的层状材料提供参考。

Unprecedented Eighteen-faceted BiOCl with Ternary Facet Junction Boosting Cascade Charge Flow and Photo-redox

Min Li, Shixin Yu, Hongwei Huang, Xiaowei Li, Yibo Feng, Cong Wang, Yonggang Wang, Tianyi Ma, Lin Guo, Yihe Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201904921

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