光催化是利用高度可持續(xù)的太陽能和地球上豐富的原料（如水、CO2 等）生產(chǎn)替代綠色能源的一種極具前景的技術。高效、穩(wěn)定的光催化劑的合理設計和制備是光催化應用的關鍵，而其活性主要受電荷分離和轉(zhuǎn)移的控制。
迄今為止，人們已經(jīng)開發(fā)了多種策略，例如元素摻雜、缺陷工程、貴金屬負載和異質(zhì)結(jié)構(gòu)建等，以改善電荷載流子分離。尤其是，Z 型異質(zhì)結(jié)納米復合材料的制備，主要集中在模擬自然光合作用時增強電荷分離和轉(zhuǎn)移。然而，太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換效率仍然非常溫和，無法與傳統(tǒng)燃料生產(chǎn)技術競爭。
因此，需要先進的策略來設計和制造具有高效的 Z 型異質(zhì)結(jié)納米復合材料，以通過改善電荷分離和轉(zhuǎn)移來提高效率。
有鑒于此，黑龍江大學井立強教授聯(lián)合英國倫敦大學學院唐軍旺教授和吉林大學白福全教授等人報道了一種新型的制造級聯(lián) Z 型異質(zhì)結(jié)材料的通用策略：1）選擇 g-C3N4 用于還原半反應 (PS I)，因為它具有固有的 2D 結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn) g-C3N4 納米片 (CN) 的可控制造并最小化電荷載流子的擴散距離抑制電荷重組；2）選擇2D-BiVO4 納米片選擇氧化半反應（PS II）。通過將 2D-BiVO4 納米片 (BVNS) 與 CN 結(jié)合，實現(xiàn)了高效的 Z 型異質(zhì)結(jié)。
圖1. 為實現(xiàn)高效光催化而在可見光下進行光生電荷轉(zhuǎn)移的級聯(lián) Z 異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)示意圖
在此基礎上，通過在 g-C3N4 上引入能量平臺 (001)TiO2 來調(diào)節(jié) Z 型電荷轉(zhuǎn)移和分離，從而開發(fā)了一個獨特的級聯(lián) Z 型異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)(T-CN/BVNS)，以實現(xiàn)高效的人工光合作用。研究成果以“Energy Platform for Directed Charge Transfer in the Cascade Z-Scheme ?Heterojunction: CO2 ?Photoreduction ?without ?a Cocatalyst”為題，發(fā)表在國際著名期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上。
要點一
在沒有任何助催化劑的情況下，優(yōu)化的5T-15CN/BVNS 異質(zhì)結(jié)納米復合材料對 CO2 光還原和純水分解都表現(xiàn)出卓越的光催化活性。
與先進的 BiVO4 納米片光催化劑相比， 5T-15CN/BVNS 異質(zhì)結(jié)在沒有任何助催化劑和昂貴的犧牲劑的情況下CO2 還原的性能提高了近 20 倍，甚至優(yōu)于其他含貴金屬的 Z 型異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)。同時，與可見光下的 15CN/BVNS 相比，5T-15CN/BVNS 異質(zhì)結(jié)納米復合材料的整體水分解光催化活性也提高了約 4 倍。
圖2. 5T-15CN/BVNS 異質(zhì)結(jié)納米復合材料的 CO2 光還原和純水分解性能
要點二
實驗結(jié)果和理論計算證明，有效的能量平臺對于指導 Z 型電荷轉(zhuǎn)移和分離以實現(xiàn)高效光催化而不會顯著降低還原和氧化電位至關重要。其中，引入的TiO2不僅可以延長空間分離電子的壽命，還可以保持較強的還原電位，從而有效地進行TiO2表面的還原反應。
要點三
此外，該策略也適用于促進其他 Z 型異質(zhì)結(jié)（例如 C3N4/WO3 和 C3N4/Fe2O3）中的電荷轉(zhuǎn)移，其他寬帶隙半導體（例如 SnO2）也可用作替代電子-能源平臺。
這項工作不僅證明了引入能量平臺來促進 Z 型電荷轉(zhuǎn)移，而且還為合成級聯(lián) Z 型異質(zhì)結(jié)以實現(xiàn)高效的太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換鋪平了道路。
Ji Bian, et al, Energy Platform for Directed Charge Transfer in the Cascade Z-Scheme ?Heterojunction: CO2 ?Photoreduction ?without ?a Cocatalyst, Angew. Chem. Int. Ed., 2021. DOI: 10.1002/anie.202106929. https://doi.org/10.1002/anie.202106929
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