構(gòu)筑Bi納米粒子負(fù)載BiOCl納米片歐姆結(jié)用于光催化CO2還原

摘要：煤炭、石油和天然氣等能源的不斷增長消耗，不僅導(dǎo)致不可再生能源逐漸枯竭，還使大氣中的CO2濃度顯著上升，引發(fā)嚴(yán)重的能源危機(jī)和氣候問題。因此，我們必須開發(fā)清潔、可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，以應(yīng)對不斷增長的能源需求和日益嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī)。受到自然界光合作用的啟發(fā)，光催化CO2轉(zhuǎn)化利用太陽能驅(qū)動，可以將CO2和水轉(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品。經(jīng)過多年的發(fā)展，人工光合作用已被認(rèn)為是一種綠色、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的方法，有望助力實(shí)現(xiàn)國家的碳中和發(fā)展目標(biāo)。然而，現(xiàn)有的光催化劑存在著載流子分離效率低和活性位點(diǎn)不足的問題，從而導(dǎo)致CO2光還原效率較低。為了應(yīng)對這些科學(xué)問題，研究人員發(fā)現(xiàn)將金屬納米粒子負(fù)載到半導(dǎo)體材料上形成歐姆結(jié)，可以產(chǎn)生內(nèi)建電場，有助于光生電子和空穴的分離。因此，本研究通過溶劑熱法在BiOCl納米片表面負(fù)載Bi納米粒子，構(gòu)建了Bi/BiOCl歐姆結(jié)光催化劑。通過X射線衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）和透射電子顯微鏡（TEM）分析了光催化劑的成分和微觀結(jié)構(gòu)。利用紫外-可見漫反射光譜（UV-Vis DRS）研究了催化劑的光吸收性能。通過瞬態(tài)光電流響應(yīng)測試、電化學(xué)阻抗譜（EIS）和電子自旋共振譜（ESR）研究了光生電子和空穴的分離能力。由于Bi納米粒子與BiOCl的功函數(shù)不同，二者形成的歐姆結(jié)具有優(yōu)異的電荷轉(zhuǎn)移特性，可以顯著提高光生載流子的利用效率。此外，Bi納米粒子還可以作為助催化劑，促進(jìn)惰性CO2分子的活化。光催化測試結(jié)果顯示，經(jīng)過300 W氙燈照射4 h后，具有最佳活性的復(fù)合材料（Bi/BiOCl-2）將CO2還原為CO （34.31μmol?g?1）和CH4 （1.57 μmol?g?1）的速率分別是BiOCl納米片的2.55倍和4.76倍。同位素示蹤實(shí)驗證實(shí)，產(chǎn)物是CO2和水分子經(jīng)過光催化反應(yīng)得到的。此外，根據(jù)原位傅里葉變換紅外光譜（in situ FTIR）結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在CO2還原過程中形成了*CHO、*CH3O、b-CO32?、m-CO32?、HCO?3、HCOOH、*COOH和HCOO?等中間體，并進(jìn)一步提出了可能的光催化CO2還原機(jī)制。經(jīng)過25 h的CO2光還原反應(yīng)后，CO和CH4產(chǎn)量持續(xù)增加，同時結(jié)合XRD、XPS和TEM結(jié)果表明，制備的Bi/BiOCl-2材料具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這項研究為高效CO2光還原催化劑的構(gòu)建提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：BiOCl納米片；Bi納米粒子；CO2光還原；歐姆結(jié)；電子傳輸

中圖分類號：O643