于洪鉴：“一石三鸟”表面氧空位增强层状铋系材料光催化CO2还原活性

来源：中国地质大学

利用太阳能将CO₂转化为可再生化学燃料在解决日益严峻的能源危机和环境污染问题等方面展示了巨大潜力。然而，当前光催化剂相对弱的光吸收能力、低的电荷分离效率以及不充足表面活性位点都极大地限制了光催化CO₂还原活性。在材料中引入缺陷，通过缺陷工程来构筑表面不饱和位点，被认为是调控光吸收、促进电荷分离效率以及构建活性位点的一种有效手段，其中氧空位是最常见和研究最多的一种阴离子缺陷。大量研究工作表明引入氧空位会大大地提高半导体有机污染物的降解、光催化固氮和光解水产氢的效率。在以往的报道中，氧空位主要通过在惰性气氛(He，N₂，Ar)或高真空的条件下热处理、离子掺杂或溶剂热等方法产生，然而这些过程不仅耗能高，还可能在材料体相产生缺陷，从而削弱光催化性能。因此，发展简易、高效的策略在催化剂表面构造浓度可调的氧空位具有重要意义也极具有挑战性。

针对以上科学问题，我校材料科学与工程学院博士生于洪鉴在资源综合利用与环境能源新材料创新团队张以河教授和黄洪伟教授指导下，首次报道以NaOH为矿化剂，采用一锅水热法合成了Aurivillius型钙钛矿结构的层状Sr₂Bi₂Nb₂TiO₁₂纳米片，并利用乙二醛作为温和还原剂，通过简单的低温水浴法构造了浓度可调的表面氧空位，并对其光催化CO₂还原性能进行了研究。取得以下创新性认识：

1、通过改变乙二醛的添加量在Sr₂Bi₂Nb₂TiO₁₂表面引入不同浓度的氧空位，不仅拓宽了光响应范围，使其覆盖了整个可见区域，而且大幅促进了光生载流子的分离；

2、表面氧空位增强了催化剂对CO₂分子的吸附和活化能力，并得到了原位红外和理论计算的证实。在不加任何助催化剂或牺牲剂的气固反应体系中，富含氧空位的Sr₂Bi₂Nb₂TiO₁₂纳米片表现出优异的CO₂光还原活性，CO产率为17.11μmolg^-1 h^-1，是体相Sr₂Bi₂Nb₂TiO₁₂的58倍，并且优于大多数先前报道的光催化剂。

该研究提供了一个三合一的综合解决方案，为提高二氧化碳光还原活性，开发高性能的光电催化材料提供了新的参考。

图1. （a）Sr₂Bi₂Nb₂TiO₁₂的晶体结构图；（b）SBNT-HR-0.5的TEM图像；（c）选取电子衍射图像；（d）SBNT-HR的高分辨TEM图像；（e）SBNT-HR-0.5的高分辨TEM图像；SBNT –SSR, SBNT –HR, SBNT –HR –X (X=0.3, 0.5 ,1)的紫外可见漫反射吸收光谱图（f）， ESR图谱（g），Nb3d，Ti 2p（h）和O1s 的XPS图谱（i）。

图2. SBNT –SSR, SBNT –HR, SBNT –HR –X (X=0.3, 0.5 ,1) 在模拟太阳光下的CO₂还原a）生成CO的时间产率图和（b）生成CO的速率图及¹³CO₂同位素标记图（插图）；SBNT –HR –0.5（c）和SBNT –HR（d）的原位红外光谱图。

上述研究成果发表于材料化学领域国际著名期刊《Angewandte Chemie-International Edition》，Hongjian Yu, Jieyuan Li, Yihe Zhang*, Songqiu Yang, Keli Han, Fan Dong, Tianyi Ma* and Hongwei Huang*, Three-in-one oxygen vacancy: Whole visible-spectrum absorption, efficient charge separation and surface site activation for robust CO2 photoreduction. Angewandte Chemie International Edition. 2018, DOI: 10.1002/anie.201813967 [IF2017=12.102]

附件20190311091305052256.pdf (1.8173008MB)