Small Science:宽可见光谱响应的超薄酞菁铜/α-Fe2O3 S-型异质结光催化材料用于高效CO2还原

利用光催化技术将CO2还原为CO和CH4等能源分子而实现人工碳循环是解决能源与环境问题的绿色手段之一。在众多光催化材料中,α-Fe2O3因其带隙较窄、空穴氧化能力较强以及廉价稳定等特点而备受关注。然而,由于其光生电荷扩散距离短导致光生载流子易于发生体相复合,导带位置较低致使其光生电子还原能力不足,以及表面缺乏催化活化CO2位点等严重制约了其在光催化CO2还原反应中的应用。针对上述瓶颈问题,黑龙江大学井立强教授团队通过羟基诱导组装策略实现了酞菁铜(CuPc)在超薄α-Fe2O3纳米片上的可控组装,获得了具有宽可见光谱响应的超薄异质结光催化材料,表现出了优异的光催化CO2还原性能。进一步揭示了宽可见光驱动下CuPc与α-Fe2O3之间的S型电荷转移机制,以及CuPc中Cu2+离子中心对CO2还原的重要催化作用。井立强教授、辛柏福教授和李志君博士共同合作,在Al3+调控水热法成功制备的超薄α-Fe2O3纳米片的基础上,通过羟基诱导组装方法实现了CuPc与超薄α-Fe2O3纳米片间的良好界面结合,成功构建了了S型CuPc/α-Fe2O3超薄异质结材料并将其用于可见光催化CO2还原,最佳样品的性能达到α-Fe2O3纳米粒子的15倍。

通过对CuPc/α-Fe2O3超薄异质结材料的系统表征,其性能提升主要归因于以下几方面:首先,超薄α-Fe2O3纳米片结构极大的缩短了光生载流子扩散到表面的传输距离,抑制了其体相复合,从而促进了光生电荷分离;同时α-Fe2O3表面丰富的羟基的诱导作用实现了CuPc以几乎单分子层形式在其表面均匀、稳定的负载,进而更有利于CuPc与α-Fe2O3对可见光谱的互补性吸收,从而实现了对宽可见光谱的充分利用;其次,通过气氛可控的表面光电压谱、单波长光电化学作用谱及开尔文探针等技术证明了高分散的还原型CuPc与氧化型α-Fe2O3遵循S-型电荷转移机制,从而实现了利用CuPc的LUMO能级上具有强还原能力的光生电子引发CO2还原半反应,同时利用α-Fe2O3价带上具有强氧化能力的光生空穴引发水氧化反应。此外,利用原位漫反射红外光谱和电化学测试等手段并通过对比具有不同中心离子的金属酞菁配合物,证明了由高分散CuPc导致的充分暴露Cu2+中心对CO2具有良好的活化作用进而促进光还原反应催化过程。本工作提供了一种具有普适性的由羟基诱导过渡金属酞菁组装构建宽光谱响应的S-型异质结光催化纳米材料的可行思路。

论文信息:

Controlled Construction of Copper Phthalocyanine/α-Fe2O3 Ultrathin S-Scheme Heterojunctions for Efficient Photocatalytic CO2 Reduction under Wide Visible-Light Irradiation

Zhiyuan Mu, Shuangying Chen, Ying Wang, Ziqing Zhang, Zhijun Li*, Baifu Xin*, Liqiang Jing*

DOI: 10.1002/smsc.202100050

链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202100050