富含缺陷的2D/2D 異質(zhì)結(jié)促進(jìn)光催化清潔能源轉(zhuǎn)化

董帆

電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院，成都 611731

富含缺陷的2D/2D 異質(zhì)結(jié)光催化材料光催化制氫及還原CO2 示意圖。

低維納米材料因其特有的厚度尺寸和低維結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，使其具有相應(yīng)塊狀材料所不具備的獨(dú)特性能。低維材料的顯著特征就是至少有一個(gè)維度低于100 nm；零維材料，如零維納米顆粒、量子點(diǎn)；一維材料，如納米棒、納米線(xiàn)和納米纖維；二維材料如納米片、納米盤(pán)等。催化材料維度的降低將顯著改善其量子限域效應(yīng)和電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善其催化性能1-4。基于這些思路，研究者們開(kāi)始致力于研究用于光催化作用的新型二維半導(dǎo)體超薄材料。研究表明，通過(guò)構(gòu)建新型多組分低維復(fù)合光催化材料體系，可以同時(shí)合理利用各組分低維材料間的特性及優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于高效光催化降解有機(jī)污染物及清潔能源領(lǐng)域。

近年來(lái)，二維/二維異質(zhì)結(jié)因其高的接觸面可以鈍化催化劑表面的捕獲態(tài)，有利于提高光生電子和空穴的分離效率，而受到廣泛的關(guān)注。在二維異質(zhì)結(jié)光催化體系中，石墨相氮化碳(g-C3N4)因其合適的價(jià)導(dǎo)帶位置、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性及其豐富的表面官能團(tuán)和簡(jiǎn)易的制備過(guò)程常被用來(lái)與其他低維光催化劑進(jìn)行復(fù)合5。此外，研究發(fā)現(xiàn)，在低維材料制備中，通過(guò)缺陷調(diào)控可以有效改善光催化材料的性能6,7。

最近，武漢理工大學(xué)張高科教授課題組在國(guó)際權(quán)威期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表了一篇題為“Vacancy mediated Z-scheme charge transfer in a 2D/2D La2Ti2O7/g-C3N4nanojunction as a bifunctional photocatalyst for solar-to-energy conversion”的研究型論文8，提出了一種通過(guò)構(gòu)建缺陷富集2D/2D異質(zhì)結(jié)的方式優(yōu)化其載流子傳輸路徑，從而增強(qiáng)光催化清潔能源轉(zhuǎn)化性能的新思路。作者通過(guò)簡(jiǎn)易的水熱法輔助固相焙燒策略合成了富有表面氧缺陷的La2Ti2O7納米片，之后通過(guò)超聲自組裝策略引入g-C3N4超薄納米片進(jìn)而合成出缺陷富集的2D/2D異質(zhì)結(jié)光催化劑。透射電子顯微鏡及X射線(xiàn)光電子能譜均證實(shí)了二維異質(zhì)界面的形成。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合，證實(shí)了缺陷富集的異質(zhì)結(jié)載流子傳輸路徑屬于Z型異質(zhì)結(jié)電子傳輸，導(dǎo)致有效的電子激發(fā)并加速載流子傳輸9。相對(duì)于單一的富集氧缺陷的La2Ti2O7納米片和g-C3N4超薄納米片，2D/2D異質(zhì)結(jié)光催化劑的光催化制氫及還原二氧化碳性能均得到了顯著的提升。

該工作提出了一種簡(jiǎn)單有效的方法去調(diào)控低維異質(zhì)結(jié)光催化劑的電子結(jié)構(gòu)及載流子傳輸，為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的清潔能源轉(zhuǎn)化提供了可借鑒的新思路。此項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金基金、湖北省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等經(jīng)費(fèi)支持。