光催化是利用高度可持續(xù)的太陽能和地球上豐富的原料（如水、CO2 等）生產(chǎn)替代綠色能源的一種極具前景的技術(shù)。高效、穩(wěn)定的光催化劑的合理設(shè)計和制備是光催化應(yīng)用的關(guān)鍵，而其活性主要受電荷分離和轉(zhuǎn)移的控制。
迄今為止，人們已經(jīng)開發(fā)了多種策略，例如元素?fù)诫s、缺陷工程、貴金屬負(fù)載和異質(zhì)結(jié)構(gòu)建等，以改善電荷載流子分離。尤其是，Z 型異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料的制備，主要集中在模擬自然光合作用時增強電荷分離和轉(zhuǎn)移。然而，太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換效率仍然非常溫和，無法與傳統(tǒng)燃料生產(chǎn)技術(shù)競爭。
因此，需要先進(jìn)的策略來設(shè)計和制造具有高效的 Z 型異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料，以通過改善電荷分離和轉(zhuǎn)移來提高效率。
有鑒于此，黑龍江大學(xué)井立強教授聯(lián)合英國倫敦大學(xué)學(xué)院唐軍旺教授和吉林大學(xué)白福全教授等人報道了一種新型的制造級聯(lián) Z 型異質(zhì)結(jié)材料的通用策略：1）選擇 g-C3N4 用于還原半反應(yīng) (PS I)，因為它具有固有的 2D 結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn) g-C3N4 納米片 (CN) 的可控制造并最小化電荷載流子的擴(kuò)散距離抑制電荷重組；2）選擇2D-BiVO4 納米片選擇氧化半反應(yīng)（PS II）。通過將 2D-BiVO4 納米片 (BVNS) 與 CN 結(jié)合，實現(xiàn)了高效的 Z 型異質(zhì)結(jié)。
圖1. 為實現(xiàn)高效光催化而在可見光下進(jìn)行光生電荷轉(zhuǎn)移的級聯(lián) Z 異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)示意圖
在此基礎(chǔ)上，通過在 g-C3N4 上引入能量平臺 (001)TiO2 來調(diào)節(jié) Z 型電荷轉(zhuǎn)移和分離，從而開發(fā)了一個獨特的級聯(lián) Z 型異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)(T-CN/BVNS)，以實現(xiàn)高效的人工光合作用。研究成果以“Energy Platform for Directed Charge Transfer in the Cascade Z-Scheme ?Heterojunction: CO2 ?Photoreduction ?without ?a Cocatalyst”為題，發(fā)表在國際著名期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上。
要點一
在沒有任何助催化劑的情況下，優(yōu)化的5T-15CN/BVNS 異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料對 CO2 光還原和純水分解都表現(xiàn)出卓越的光催化活性。
與先進(jìn)的 BiVO4 納米片光催化劑相比， 5T-15CN/BVNS 異質(zhì)結(jié)在沒有任何助催化劑和昂貴的犧牲劑的情況下CO2 還原的性能提高了近 20 倍，甚至優(yōu)于其他含貴金屬的 Z 型異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)。同時，與可見光下的 15CN/BVNS 相比，5T-15CN/BVNS 異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料的整體水分解光催化活性也提高了約 4 倍。
圖2. 5T-15CN/BVNS 異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料的 CO2 光還原和純水分解性能
要點二
實驗結(jié)果和理論計算證明，有效的能量平臺對于指導(dǎo) Z 型電荷轉(zhuǎn)移和分離以實現(xiàn)高效光催化而不會顯著降低還原和氧化電位至關(guān)重要。其中，引入的TiO2不僅可以延長空間分離電子的壽命，還可以保持較強的還原電位，從而有效地進(jìn)行TiO2表面的還原反應(yīng)。
要點三
此外，該策略也適用于促進(jìn)其他 Z 型異質(zhì)結(jié)（例如 C3N4/WO3 和 C3N4/Fe2O3）中的電荷轉(zhuǎn)移，其他寬帶隙半導(dǎo)體（例如 SnO2）也可用作替代電子-能源平臺。
這項工作不僅證明了引入能量平臺來促進(jìn) Z 型電荷轉(zhuǎn)移，而且還為合成級聯(lián) Z 型異質(zhì)結(jié)以實現(xiàn)高效的太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換鋪平了道路。
Ji Bian, et al, Energy Platform for Directed Charge Transfer in the Cascade Z-Scheme ?Heterojunction: CO2 ?Photoreduction ?without ?a Cocatalyst, Angew. Chem. Int. Ed., 2021. DOI: 10.1002/anie.202106929. https://doi.org/10.1002/anie.202106929
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