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        富含缺陷的2D/2D 異質(zhì)結(jié)促進(jìn)光催化清潔能源轉(zhuǎn)化

        2021-09-01 09:28:02董帆
        物理化學(xué)學(xué)報(bào) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:載流子光催化劑異質(zhì)

        董帆

        電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院,成都 611731

        富含缺陷的2D/2D 異質(zhì)結(jié)光催化材料光催化制氫及還原CO2 示意圖。

        低維納米材料因其特有的厚度尺寸和低維結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),使其具有相應(yīng)塊狀材料所不具備的獨(dú)特性能。低維材料的顯著特征就是至少有一個(gè)維度低于100 nm;零維材料,如零維納米顆粒、量子點(diǎn);一維材料,如納米棒、納米線和納米纖維;二維材料如納米片、納米盤等。催化材料維度的降低將顯著改善其量子限域效應(yīng)和電子結(jié)構(gòu),進(jìn)而改善其催化性能1-4?;谶@些思路,研究者們開始致力于研究用于光催化作用的新型二維半導(dǎo)體超薄材料。研究表明,通過構(gòu)建新型多組分低維復(fù)合光催化材料體系,可以同時(shí)合理利用各組分低維材料間的特性及優(yōu)點(diǎn),將其應(yīng)用于高效光催化降解有機(jī)污染物及清潔能源領(lǐng)域。

        近年來,二維/二維異質(zhì)結(jié)因其高的接觸面可以鈍化催化劑表面的捕獲態(tài),有利于提高光生電子和空穴的分離效率,而受到廣泛的關(guān)注。在二維異質(zhì)結(jié)光催化體系中,石墨相氮化碳(g-C3N4)因其合適的價(jià)導(dǎo)帶位置、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性及其豐富的表面官能團(tuán)和簡易的制備過程常被用來與其他低維光催化劑進(jìn)行復(fù)合5。此外,研究發(fā)現(xiàn),在低維材料制備中,通過缺陷調(diào)控可以有效改善光催化材料的性能6,7。

        最近,武漢理工大學(xué)張高科教授課題組在國際權(quán)威期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表了一篇題為“Vacancy mediated Z-scheme charge transfer in a 2D/2D La2Ti2O7/g-C3N4nanojunction as a bifunctional photocatalyst for solar-to-energy conversion”的研究型論文8,提出了一種通過構(gòu)建缺陷富集2D/2D異質(zhì)結(jié)的方式優(yōu)化其載流子傳輸路徑,從而增強(qiáng)光催化清潔能源轉(zhuǎn)化性能的新思路。作者通過簡易的水熱法輔助固相焙燒策略合成了富有表面氧缺陷的La2Ti2O7納米片,之后通過超聲自組裝策略引入g-C3N4超薄納米片進(jìn)而合成出缺陷富集的2D/2D異質(zhì)結(jié)光催化劑。透射電子顯微鏡及X射線光電子能譜均證實(shí)了二維異質(zhì)界面的形成。他們通過實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合,證實(shí)了缺陷富集的異質(zhì)結(jié)載流子傳輸路徑屬于Z型異質(zhì)結(jié)電子傳輸,導(dǎo)致有效的電子激發(fā)并加速載流子傳輸9。相對于單一的富集氧缺陷的La2Ti2O7納米片和g-C3N4超薄納米片,2D/2D異質(zhì)結(jié)光催化劑的光催化制氫及還原二氧化碳性能均得到了顯著的提升。

        該工作提出了一種簡單有效的方法去調(diào)控低維異質(zhì)結(jié)光催化劑的電子結(jié)構(gòu)及載流子傳輸,為太陽能驅(qū)動(dòng)的清潔能源轉(zhuǎn)化提供了可借鑒的新思路。此項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金基金、湖北省自然科學(xué)基金、中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等經(jīng)費(fèi)支持。

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