利用以太阳能为驱动力的光催化技术将CO₂转换成燃料是缓解能源危机和解决环境问题的重要手段之一。通过模拟自然光合作用，设计人工Z型体系是发展高效光催化技术的有效途径之一。

然而，常规的Z型异质结体系中往往伴随着II型异质结电荷转移路径，这虽然提高了电子和空穴的寿命，但却以牺牲它们的还原和氧化势垒为代价，不是提高光催化性能的最优途径。因此，如何既提高电荷分离效率，同时又能够有效抑制II型异质结电荷转移是发展高效Z型光催化体系的关键。

近日，黑龙江大学的井立强教授、伦敦大学学院的唐军旺教授和吉林大学的白福全教授合作，发展了引入宽带隙氧化物半导体作为能量平台的普适性策略，形成联级Z型体系，既有效提高了电荷的分离，同时也抑制II型异质结电荷转移，实现了无助催化剂、无牺牲剂条件下的高效可见光催化还原CO₂。同时也实现了光催化纯水分解为化学计量比的氢气和氧气。

以维度匹配的2D-2D/2D（001）TiO₂-g-C₃N₄/BiVO₄异质结为模型，通过引入（001）晶面暴露的TiO₂作为能量平台，显著提高了g-C₃N₄/BiVO₄ Z型异质结的可见光催化还原CO₂性能。利用时间分辨的光物理技术等系统地证明了能量平台TiO₂可定向接收g-C₃N₄的光生电子、延长光生电子寿命，从而促进Z型电荷转移。同时，利用DFT理论模拟从时间阈角度揭示电荷转移和注入过程，基于范德华和模拟成键的异质结模型的研究结果均表明能量平台TiO₂的引入可加快Z型电荷转移过程。

借助能量平台形成的联级Z型体系策略同样适用于改善多个窄带隙氧化物基Z型异质结光催化材料（如C₃N₄/WO₃和C₃N₄/Fe₂O₃）的电荷转移和光催化性能。此研究为设计合成高效的新型Z型异质结用于生产太阳能燃料提供了新思路。

论文信息：

Novel energy platform for the directed charge transfer in the cascade Z-scheme heterojunction for CO₂ photoreduction without the need for a cocatalyst

Ji Bian, Ziqing Zhang, Jiannan Feng, Madasamy Thangamuthu, Fan Yang, Ling Sun, Zhijun Li, Yang Qu, Dongyan Tang, Zewei Lin, Fuquan Bai, Junwang Tang, Liqiang Jing 

文章的第一作者是黑龙江大学的边辑博士和张紫晴博士

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202106929