Solar RRL: 一种促进光催化分解水产氧的有效策略:重构双诱导{0 0 1}面氯氧铋超薄纳米片异质结构

一直以来,催化剂在光催化过程中产生的光生载流子极容易发生复合,而实现光生电荷分离、空间转移是一个具大的技术挑战,即使光致电子转移顺利发生,而生成的空穴转移是困难的,因为空穴的转移速率远远低于光生电子。为了解决这一难题,研究人员希望通过精确的表、界面工程结构设计、开发有效且低成本的光催化剂实现快速地水氧化反应。幸运的是,异质结材料可以通过将两个能带匹配结构的单元半导体耦合来提高电荷转移效率,从而驱动特定的光催化反应功能。与零维-二维(0D-2D)和一维-二维(1D-2D)异质结材料相比,2D-2D异质结构更有益处,因为2D-2D异质结构为跨越异质结边界的电荷转移提供了更大的接触表面。2D-2D异质结材料之间的原子层厚度有助于直接分离电子和空穴。特别地,期望的2D-2D超薄层状异质结构材料表面具有封闭且有效的界面和晶面接触,这使得它们能够实现更有效的载流子迁移率和更低的电荷重组率。

能源与环境光催化国家重点实验室(福州大学)林华香研究员和合作者首次发现通过碱性化学刻蚀和溶剂机械剥离,在BiOCl的缺氯层(Bi2O2Cl)端面上选择性、化学地组装Bi3O4Cl超薄层,得到(Bi3O4)-(Cl)-(Bi2O2Cl)的2D超薄纳米片异质结。光激发下光生载流子最先由内建电场作用下在(Bi3O4)和(C1)层之间驱动到(Bi2O2Cl)端面,然后通过界面接触和{0 0 1}晶面效应,光生空穴优先在(Bi3O4)层面聚集发生光催化水氧化反应,电子在(C1)层面聚集被牺牲剂消耗掉。超薄片异质结具有优异的光催化性能,因高效体相电荷和表面电荷分离效率而有效提升光催化分解水产氧的效率。

研究者相信,此项研究将会为基于铋系二维超薄纳米材料异质结的设计制备提供了新的视角,并为基于原子层二维材料的光催化机理研究提供新的思路。相关论文在线发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201900059)上。

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