第一作者：Xianyu Deng, Jianjun Zhang

通訊作者：余家國，徐飛燕

通訊單位：中國地質大學（武漢）

余家國，中國地質大學（武漢）教授、歐洲科學院外籍院士、國家杰出青年基金獲得者。從事半導體光催化材料、光催化分解水產氫、CO2還原、污染物降解、室內空氣凈化、染料敏化和鈣鈦礦太陽能電池、電催化、電化學能源存儲、吸附等方面的研究工作。

徐飛燕，中國地質大學（武漢）副教授（特聘） 碩士生導師。主要從事復合納米光催化材料的應用及機理研究，通過設計新型的梯形異質結光催化劑，增強光催化產氫、CO₂還原、CH₄氧化等活性，并深入探究性能增強機理及光催化反應機理。

論文速覽

構建S-型異質結構在實現有效光生電荷載流子參與光反應的空間分離方面具有優勢，S-型異質結構中兩相之間有限的接觸面積導致界面電荷傳輸效率低，從動力學角度看導致光催化效率低。在解決大氣中二氧化碳（CO₂）過量排放導致的環境問題方面，利用豐富的陽光將CO₂轉化為有價值的太陽能燃料是一種有前景的策略。

然而，CO₂光還原的有效性受到催化劑上CO₂分子的化學吸附和活化的挑戰，主要是因為C=O鍵的高解離能。Nb₂O₅因其高導帶位置和強大的還原能力而在光催化領域受到關注。

本研究通過簡單的一步電紡絲技術制備了In₂O₃/Nb₂O₅ S-型異質結，實現了兩相之間的緊密接觸，從而促進了超快的界面電子轉移(<10皮秒)。這種結構有效地分離了光生電子和空穴，分別在Nb₂O₅的導帶和In₂O₃的價帶中積累，并延長了它們的壽命，促進了它們參與后續的光反應。結合Nb₂O₅上穩定的CO₂的高效化學吸附和活化，所得的In₂O₃/Nb₂O₅復合納米纖維展示了改善的CO₂轉化光催化性能。

圖文導讀

圖1：合成示意圖和In₂O₃/Nb₂O₅異質結的形貌與結構。

圖2：在異質結內的In₂O₃和Nb₂O₅之間的電子轉移，包括高分辨XPS光譜和In₂O₃(111)與Nb₂O₅(100)的計算靜電勢。

圖3：In₂O₃和In₂O₃/Nb₂O₅ S-型異質結界面上光電子轉移動態的見解，包括偽彩圖、瞬態吸收光譜和動力學衰減曲線。

圖4：純Nb₂O₅和In₂O₃/Nb₂O₅ S-型異質結界面上的光電子轉移動態，包括瞬態吸收光譜和動力學衰減曲線。

圖5：In₂O₃/Nb₂O₅雜化納米纖維對CO₂的化學吸附和活化。

圖6：光催化CO₂還原的性能和機理研究。

總結展望

本研究通過一步電紡絲技術成功制備了In₂O₃/Nb₂O₅ S-型異質結，該異質結通過超快的界面電子轉移(<10皮秒)，有效地分離和積累了光生電子和空穴，顯著提高了CO₂光還原性能。

DFT計算和CO₂-TPD分析結果表明，In₂O₃/Nb₂O₅異質結上CO₂分子的化學吸附和活化效率高。優化后的In₂O₃/Nb₂O₅納米纖維在沒有分子催化劑或犧牲劑的情況下，CO產量高達0.21 mmol g_{active sites}^-1 h^-1。本工作強調了利用先進的fs-TAS技術探索S型異質結界面超快電荷轉移的潛力，并為設計和開發新型高效的光催化劑提供了重要的理論基礎和實驗依據。

文獻信息

標題：Ultrafast electron transfer at the In₂O₃/Nb₂O₅ S-scheme interface for CO₂ photoreduction

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-49004-7