缺陷态钒酸铋超薄结构实现高效稳定的光还原二氧化碳性能

申文杰

(中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连116023)

缺陷态钒酸铋超薄结构实现高效稳定的光还原二氧化碳性能

申文杰

(中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连116023)

人工光催化还原二氧化碳是利用太阳能激发半导体光催化材料产生光生电子与空穴，诱发氧化-还原反应将CO2和H2O转化为碳氢燃料，是一种转化和利用CO2的新途径。与其它方法相比，该过程在常温常压下进行，直接利用太阳能，可实现碳的循环使用，因而被认为是最具前景的CO2转化方法之一1,2。近年来，研究表明一些氧化物和硫化物等具有光还原CO2活性，但这些材料低的光转换效率以及严重的光腐蚀限制了其进一步的应用1−5。为了解决这些问题，科研工作者们发展出了多种方法5,6；其中，在光催化材料中引入缺陷是一种很有前景的途径，它可以有效地调控光催化过程，从而有助于改善光还原CO2的性能。但是，到目前为止，缺陷结构的存在对于半导体材料光还原CO2性能的影响机制尚不清楚；这主要是因为以往常用的光催化剂尺寸较大，导致大多数缺陷分布在光催化剂内部而无法有效地参与催化反应，从而无法明确光催化材料中的缺陷结构对其光还原CO2性能的影响。

为了揭示缺陷结构对光还原CO2性能的影响，

中国科学技术大学谢毅教授、孙永福教授课题组

巧妙地构建了理想结构模型：富/贫缺陷的二维超薄结构。以正交相钒酸铋为例7，他们利用一种杂化中间体辅助法制备了不同钒缺陷含量的钒酸铋超薄结构，并对其物相和结构进行了详细的表征。X射线衍射花样证实了所获得的产物为[001]取向的正交相钒酸铋；原子力显微镜表征结果显示所制备的二维超薄片厚度仅为1.28 nm，对应着正交相钒酸铋在[001]方向一个晶胞的厚度。正电子湮没谱以及X射线荧光光谱证实了在不同反应温度下得到的正交相钒酸铋超薄结构具有不同的钒缺陷含量，可以作为一种理想的材料模型体系用来研究光催化剂中的缺陷结构对其自身光还原CO2性能的影响。

表面光电压谱和时间分辨的荧光寿命测试结果表明，含有较多钒缺陷的钒酸铋超薄结构能够更有效的促进光生载流子的分离，获得高达398.3 μmol·g−1·h−1的甲醇生成速率，这比含有较少钒缺陷的钒酸铋超薄结构的甲醇生成速率提高了1.4倍。更为重要的是，经过96 h的催化反应，这种含有较多钒缺陷的钒酸铋超薄结构的光催化活性没有发生明显衰减，证实了它优异的光稳定性。该工作表明在光催化材料表面引入适量的缺陷可以有效地改善其光催化还原CO2的活性和稳定性。该研究成果近期发表在Journal of the American Chem ical Society杂志上7。

(1)Thoi,V.S.;Kornienko,N.;M argarit,C.G.;Yang,P.D.;Chang, C.J.J.Am.Chem.Soc.2013,135,14413.doi:10.1021/ ja4074003

(2)Liang,L.;Lei,F.C.;Gao,S.;Sun,Y.F.;Jiao,X.C.;Wu,J.; Qamar,S.;Xie,Y.Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,13971.doi: 10.1002/anie.201506966

(3)Wang,S.B.;Wang,X.C.Appl.Catal.B:Environ.2015,162, 494.doi:10.1016/j.apcatb.2014.07.026

(4)Li,F.W.;Zhao,S.F.;Chen,L.;Khan,A.;Macfarlane,D.R.;Zhang,J.Energy Environ.Sci.2016,9,216.doi:10.1039/ c5ee02879e

(5)White,J.L.;Baruch,M.F.;Pander,J.E.,III;Hu,Y.;Fortmeyer, I.C.;Park,J.E.;Zhang,T,Liao,K.;Gu,J.;Yan,Y.;Shaw,T.W.; Abelev,E.;Bocarsly,A.B.Chem.Rev.2015,115,12888.doi: 10.1021/acs.chem rev.5b00370

(6)Sekizawa,K.;Maeda,K.;Domen,K.;Koike,K.;Ishitani,O. J.Am.Chem.Soc.2013,135,4596.doi:10.1021/ja311541a

(7)Gao,S.;Gu,B.C.;Jiao,X.C.;Sun,Y.F.;Zu,X.L.;Yang,F.; Zhu,W.G.;Wang,C.M.;Feng,Z.M.;Ye,B.J.;Xie,Y.J.Am. Chem.Soc.2017,doi:10.1021/jacs.6b11263

Freestanding Defective Single-Unit-Cell Bismuth Vanadate Layers Enable High Efficiency and Exceptional Durability in CO2Photoreduction

SHENWenjie
(Dalian Institute ofChemical Physics,Chinese Academy ofSciences,Dalian 116023,Liaoning Province,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201702231

www.whxb.pku.edu.cn