厚度调控的晶面结同时实现高效层间电荷迁移与表面载流子空间分离促进BiOIO3 单晶纳米片CO2光还原性能

利用太阳能将CO2转化为可再生燃料是一种理想的绿色能源获得途径,对于缓解温室效应和化石能源短缺具有重要的意义。因此,开发高效的半导体光催化剂用于CO2还原引起了国内外的广泛关注。然而由于光催化过程中的电荷快速重组问题,使得当前绝大多数光催化剂的性能无法满足实际应用要求。构建薄层结构是一种促进光催化活性的有效措施,在体相电荷快速转移至材料表面参与氧化还原反应过程中发挥着重要作用。相比于块状结构,在薄层结构中层间电荷迁移阻力极大的减小,光生电荷的扩散距离大幅缩短,使得载流子快速迁移至表面参与反应。同时,构建各向异性共暴露晶面被认为是一种使光生电子和空穴通多晶面选择性高效空间分离的新手段,电子和空穴沿不同方向向表面迁移可以有效抑制其在体相和表面的复合程度,极大促进光催化性能。然而目前这两种手段还很少被同时用于调节光生电荷迁移与空间分离。

中国地质大学(北京)黄洪伟教授(通讯作者)与澳大利亚纽卡斯尔大学马天翼博士(通讯作者)等人以层状铋系材料BiOIO3单晶纳米片为研究对象,可控制备了厚度可调的BiOIO3{010}/{100}晶面结,用于高效光催化转化CO2气体。通过控制合成条件,实现了BiOIO3单晶纳米片沿[010]方向(层堆积方向)厚度的逐渐减小,从而缩短了体相电荷向表面的迁移距离,增强了光催化性能。然而研究人员发现该纳米片并不是厚度越薄性能越高,当{010}面暴露比例为77.4%时,BiOIO3纳米片光催化性能最高, 其CO2还原制CO产率达到其块体的300%。通过结合对不同晶面的第一性原理计算和选择性光沉积实验发现,{010}晶面为电子聚集的还原位点面,而{100}为空穴聚集的氧化位点面。构建薄层结构有效缩短了光生电子层间迁移至表面还原位点的路径,同时具有合适比例的{010}/{100}晶面结使电子和空穴在两晶面间实现高效选择性空间分离,两种效应共同促进BiOIO3纳米片高效的CO2光还原活性。该研究提出了层结构调控与晶面结协同促进光催化性能新策略,同时也为层状材料的电荷调控提供新的参考。

相关结果发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201804284)上。文章第一作者为博士生陈芳。