科研之友
微信
新浪微博
Facebook
分享链接
摘要
利用太阳能将CO2还原为具有高能量附加值的含碳气相或液相燃料为解决能源枯竭和气候异常等问题提供一个有前景的方案.然而,由于CO2光还原过程是上坡反应且具有高的反应能垒,目前光催化CO2还原的转化效率仍然很低.为实现高效率CO2光还原,半导体光催化剂需要有宽的光吸收范围、强的氧化还原能力和丰富的活性位点.但同时满足上述条件的光催化剂有限.在半导体中,BiOI具有1.8 eV的窄带隙,可以响应波长大于600 nm的可见光且具有很强的还原能力,因此广泛应用于CO2光还原、全水分解和重金属离子还原等领域.此外,BiOI是一种典型的二维材料,交替的[Bi2O2]2+和I-离子层会导致不同层间产生固有极化和内建电场(IEF).因此,BiOI可以凭借内在的IEF有效地实现电荷分离.然而,CO2光还原还需要质子参与,而质子通常来自水氧化.但BiOI价带的氧化能力不足,影响CO2光还原效率的提升.另一方面,Bi2MoO6也是二维结构,并显示出强氧化能力,在光降解、细菌灭活、分子氧活化、水氧化和水分解等领域被广泛研究.此外,Bi2MoO6具有[Bi2O2]2+和MoO42-离子层交替的结构,同样可以产生强自发极化和固有IEF.同时,这种二维层状结构有利于形成片状的形貌,这有利于与其他二维材料构建大接触面积的异质结,从而实现电荷的快速输运,并使表面CO2还原反应活性位点增多.本文通过水热法在少层Bi2MoO6纳米片上原位生长BiOI纳米片,设计制备了梯型二维/二维(2D/2D) Bi2MoO6/BiOI范德华异质结复合材料,并用于改进CO2光还原性能.通过功函数、差分电荷密度和X射线光电子能谱证实了Bi2MoO6/BiOI异质结是范德华异质结,且Bi2MoO6和BiOI之间存在梯型的电荷转移机制.通过电子顺磁共振光谱进一步研究了Bi2MoO6/BiOI复合材料的氧化还原能力,结果发现,梯型异质结可以有效保留单一组分强的氧化或还原能力.此外,通过电化学测试以及稳态和时间分辨光致发光光谱研究了电荷分离效率,结果表明,梯型2D/2D Bi2MoO6/BiOI范德华异质结可以加速光生电荷转移.利用原位漫反射红外傅里叶变换光谱揭示了CO2光还原过程中的中间体,并通过理论计算研究了中间体的吸附自由能的变化,确定了CO2光还原的决速步骤和反应势垒.梯型2D/2D Bi2MoO6/BiOI范德华异质结复合材料表现出增强的CO2光还原性能.这种2D/2D复合形成的大接触面积的异质结可作为电荷转移通道并促进电荷的快速分离.另外,Bi2MoO6的引入也将BiOI表面上CO2光还原的能垒降低了0.35eV,从而促进了CO2还原过程,此外,梯型2D/2D Bi2MoO6/BiOI范德华异质结复合材料的强氧化还原能力也为CO2光还原提供了强的驱动力.综上,本文为新型梯型2D/2D范德华异质结在增强CO2光还原活性上的应用提供了参考.
- 单位
