Advanced Materials :晶体自发极化与表面氧空位共同助力BiOIO3单晶高效CO2光还原

开发高效半导体光催化剂用于CO2还原对缓解温室效应和化石能源短缺具有重要意义。然而光生载流子在催化剂体相和表面的快速重组严重影响了光催化效率。近期本课题组发现通过增强光催化材料宏观极化、压电极化、铁电极化,可大幅促进体相电荷分离(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 11860;Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 10061;Adv. Funct. Mater. 2019, 10.1002/adfm.201908168;Nano Energy, 2018, 53, 513;Nano Energy. 2019, 56, 840)。而通过在表面嫁接卤素、羟基、有机基团、构造氧空位与晶面结可构建局域极化电场,增强表面电荷传递(Adv. Mater. 2019, 31, 1900546;Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3880;Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 9517;Adv. Funct. Mater. 2019, 29 1903825;Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804284;Nano Energy. 2018, 50, 383)。然而当前对同时解决体相与表面光生电荷快速复合问题的关注还较少。

中国地质大学(北京)黄洪伟教授等人通过控制水热合成条件使BiOIO3晶体沿c轴定向生长为纳米带,大量IO3微观极性基团的有序排列使晶体产生强的宏观自发极化,之后利用还原后处理过程在BiOIO3纳米带表面引入丰富的氧空位。由于宏观极化电场和表面局域极性场的建立,BiOIO3中的光生电荷在体相和表面的分离效率都得到大幅提高。此外,氧空位还带来了更多的活性位点促进了CO2的吸附。光催化实验结果表明BiOIO3在不加牺牲剂和助催化剂的条件下,光催化CO2还原产CO性能提高10倍以上(速率为17.33 μmol·g−1·h−1),性能在气固反应最优催化剂之列。结合对不同晶胞尺寸偶极矩和表面局域电荷及吸附能的第一性原理计算印证了以上实验获得的结论。本文提出的体相和表面共极化策略有望为未来发展高效光催化材料提供新的参考。

相关结果发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908350)上。