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研究背景
伴随着人类社会的快速发展,传统化石燃料被过度开发,能源危机和温室效应等问题已成为全球性的重大挑战。 作为温室效应的主要成因,二氧化碳的处理成为当前亟待解决的一大难题。通过各种方法将二氧化碳转化为高附加值的能源燃料和化工产品不仅能有效缓解环境和气候问题,还能为能源生产提供新途径,可全面解决能源和环境问题。 光催化作为一种绿色、可持续、高性价比的技术,受到了研究人员的广泛关注。在太阳光驱动下利用半导体催化剂将 CO2 转化为燃料是一种高效、清洁的能源转换技术,为实现”碳达峰、碳中和”的目标提供了可行的途径。 光催化技术作为一种绿色、可持续和经济高效的技术,受到了研究人员的广泛关注。遗憾的是,大多数光催化剂只能捕获紫外光和可见光,以生成具有高氧化还原电位的载流子,而很少利用到近红外光。 因此,将光催化剂的应用范围延伸到近红外光区,可以提高对太阳光的利用率和光催化反应的整体效率。 近日,南昌大学雷水金教授带领研究团队通过在 Bi19S27Br3 纳米棒表面原位生长 SnIn4S8 纳米片,成功构建了 Bi19S27Br3@SnIn4S8 复合材料,在全光谱照射下表现出卓越的光热辅助光催化还原 CO2 性能。与 Bi19S27Br3 和 SnIn4S8 单相材料相比,Bi19S27Br3@SnIn4S8 复合催化剂的光催化活性得到了极大的提升。 图 1. Bi19S27Br3@SnIn4S8 复合材料的合成路线示意图。研究内容
图 2. Bi19S27Br3@SnIn4S8 复合材料光热辅助光催化 CO2 还原性能及其光热效应。
图 3. Bi19S27Br3@SnIn4S8 异质结中 S 型载流子转移机制示意图。
首先,该工作新颖的层级 1D@2D 核-壳结构有效增大了催化剂的比表面积,丰富了催化反应活性位点; 其次,两相间紧密接触的界面为光生电荷的转移提供了更加便利的通道; 再次,独特的 S 型异质结构促进了光生电荷的分离与转移,保留了更强反应活性的电子和空穴; 最后,Bi19S27Br3 优异的光热响应能力加速了催化反应动力学进程。
得益于上述优势的协同作用,所构筑 Bi19S27Br3@SnIn4S8 复合光催化剂全光谱照射下,CO 的平均产率高达 35.63 μmol g−1 h−1。
该研究工作首次探索了 Bi19S27Br3 的光热效应及其在光催化领域中的应用,为发展新型高性能复合光催化材料提供了一种新思路。相关成果以“A well-designed hierarchical Bi19S27Br3nanorods@SnIn4S8 nanosheet core-shell S-scheme heterostructure for robust photothermal-assisted photocatalytic CO2 reduction”(《精心设计的分层 Bi19S27Br3 纳米棒@SnIn4S8 纳米片核-壳结构S型异质结用于光热辅助光催化 CO2 还原》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry A 上,并入选为 hot article。
论文信息
A well-designed hierarchical Bi19S27Br3 nanorods@SnIn4S8 nanosheet core-shell S-scheme heterostructure for robust photothermal-assisted photocatalytic CO2 reduction Weifeng Jia, Renzhi Xiong, Yiting Sun, Yanhe Xiao, Baochang Cheng and Shuijin Lei*(雷水金,南昌大学) J. Mater. Chem. A, 2024,12, 4513-4524
https://doi.org/10.1039/D3TA07169C

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