Advanced Materials:CdS空心球表面原位生长无缝接触的氮掺杂单层石墨烯用于光催化CO2还原

为缓解全球变暖,减少二氧化碳排放,增加二氧化碳产品附加值(如转化为甲烷、一氧化碳和甲醇等)是个一举两得的策略。光催化二氧化碳还原前景广阔,因其利用取之不尽的太阳光作为反应驱动能量。光催化剂的研究也因此众所瞩目,其中硫化镉光催化剂以其优异的可见光响应能力和负的导带电势,成为科研工作者竞相研究的热门材料。尤其是空心结构的硫化镉光催化剂以其独特特性脱颖而出。近年来,二维碳材料石墨烯的电子受体和传输的功效已经被发现并认可。因此石墨烯和硫化镉的结合成为提高光催化剂性能的有力手段。石墨烯与光催化剂的传统结合方法是在剥离的石墨烯上沉积光催化剂。然而,由于剥离的石墨烯表面或边缘总是存在大量悬键,这不仅成为了其与光催化剂之间的直接紧密接触的障碍,而且不利于光生电子空穴对(PEHP)的分离和转移,还可能产生额外的复合中心。因此,实现光催化剂和石墨烯之间的“零距离接触”非常重要。综上所述,将石墨烯与空心硫化镉结合起来是进一步提升光催化还原二氧化碳性能的有效方法。但是,这两者的大面积接触一直是需要攻克的难题,这是由于空心球或空心多面体通常是点接触或线接触两种形式,两者间极小的接触面积也严重地影响了光生载流子的分离与转移。

针对上述问题,近期,武汉理工大学张留洋、余家国及其同事利用化学气相沉积法将氮掺杂石墨烯原位生长在硫化镉空心球表面,在实现硫化镉空心球与氮掺杂石墨烯紧密结合的同时保证了它们之间的大面积接触。有效的界面调控与结构设计大幅度提升了光催化二氧化碳还原性能。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201902868)上。

所构造的空心硫化镉相对于体相硫化镉拥有更多的活性位点,并且通过对光的多次反射加强对光的利用率;其薄壳结构能有效缩短光生载流子的迁移距离以减少载流子在转移路径上的复合;氮掺杂石墨烯与硫化镉空心球的紧密大面积接触极大地促进了光生载流子的分离与转移。同时,氮掺杂石墨烯能有效增强催化剂的光吸收,并且其显著的光热效应能有效活化CO2还原反应及促进产物的脱附。特别是其中的氮原子在光催化CO2还原反应中起到了富集电子以及吸附CO2分子的主要作用。研究者相信,此项研究在光催化二氧化碳还原反应的成功应用有望启迪其他光催化剂的构建。