李发堂教授课题组：表面氧空位型铝酸铋基异质结一步合成及其光催化还原CO2

01 背景介绍

由于化石燃料的大量消耗带来的能源短缺，以及在其利用过程中产生的大量CO₂导致全球气候变暖，是当今人类社会所面临的两大难题。因此，对主要温室气体二氧化碳的转化研究已经刻不容缓。目前大量的研究是通过热化学、生物、电化学或光催化等方法，将CO₂人工转化为燃料或有用的化学物质上。通过模拟人工光合作用光催化转化CO₂，可以同时缓解环境问题和能源问题。然而，目前CO₂还原反应仍存在光催化转化效率低的问题，因此，高效光催化剂的设计尤为重要。

02研究进展

光催化剂的缺陷和电荷转移效率是影响其光催化还原CO₂性能的重要因素。本研究通过一步溶液自燃烧的方法合成出Bi₂Al₄O₉/β-Bi₂O₃异质结的同时引入氧空位。在溶液燃烧合成过程中，当燃烧环境中的氧气压力足够低时，催化剂会释放晶格中的氧原子，在原始晶格位置留下氧空位。异质结的形成能够很好地稳定氧空位，0.14Bi₂Al₄O₉/β-Bi₂O₃异质结光催化剂经过600 ℃的焙烧，氧空位吸附CO₂的能力仍比单组分Bi₂Al₄O₉或β-Bi₂O₃光催化剂强。氧缺陷的产生能够更好地吸附和活化CO₂，异质结的形成能够有效的分离光生电子和空穴。通过HRTEM、UV-Vis DRS和ESR测试表征证实存在氧空位。另外，通过光电流响应和表面光电压谱（SPV）表明，Bi₂Al₄O₉/β-Bi₂O₃异质结提高了光生电子和空穴的分离效率。通过光催化还原CO₂反应发现0.14 Bi₂Al₄O₉/β-Bi₂O₃异质结显示出最高的光催化还原能力。CO₂的光还原活性提高可归因于异质结对光生载流子的分离以及氧空位对CO₂吸附和活化的协同作用。

图1. （a）异质结的表面氧空位耦合增强效应及（b）对CO₂吸附增强作用

03本文亮点

利用溶液燃烧法一步合成了Bi₂Al₄O₉及Bi₂Al₄O₉/β-Bi₂O₃异质结光催化剂，率先提出了Bi₂Al₄O₉的光催化作用及其能带位置，丰富了铋系光催化材料种类。

通过构建还原气氛设计合成了具有表面氧空位的催化剂，还原气氛使得催化剂表面氧原子逸出，留下氧空位。并且发现氧空位存在耦合效应，即Bi₂Al₄O₉/β-Bi₂O₃复合材料的氧空位浓度较单组份的Bi₂Al₄O₉或β-Bi₂O₃浓度高。

表面氧空位有利于CO₂的吸附与活化，异质结提升了光生载流子分离效率，二者协同作用提升了CO₂还原效率。

04文章信息

文章以“One-step synthesis of defected Bi₂Al₄O₉/β-Bi₂O₃ heterojunctions for photocatalytic reduction of CO₂ into CO”为题，在Green Energy & Environment 发表，通讯作者为河北科技大学李发堂教授。