第一作者：Xianyu Deng, Jianjun Zhang

通訊作者：余家國，徐飛燕

通訊單位：中國地質(zhì)大學（武漢）

余家國，中國地質(zhì)大學（武漢）教授、歐洲科學院外籍院士、國家杰出青年基金獲得者。從事半導體光催化材料、光催化分解水產(chǎn)氫、CO2還原、污染物降解、室內(nèi)空氣凈化、染料敏化和鈣鈦礦太陽能電池、電催化、電化學能源存儲、吸附等方面的研究工作。

徐飛燕，中國地質(zhì)大學（武漢）副教授（特聘） 碩士生導師。主要從事復合納米光催化材料的應用及機理研究，通過設計新型的梯形異質(zhì)結(jié)光催化劑，增強光催化產(chǎn)氫、CO₂還原、CH₄氧化等活性，并深入探究性能增強機理及光催化反應機理。

論文速覽

構(gòu)建S-型異質(zhì)結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)有效光生電荷載流子參與光反應的空間分離方面具有優(yōu)勢，S-型異質(zhì)結(jié)構(gòu)中兩相之間有限的接觸面積導致界面電荷傳輸效率低，從動力學角度看導致光催化效率低。在解決大氣中二氧化碳（CO₂）過量排放導致的環(huán)境問題方面，利用豐富的陽光將CO₂轉(zhuǎn)化為有價值的太陽能燃料是一種有前景的策略。

然而，CO₂光還原的有效性受到催化劑上CO₂分子的化學吸附和活化的挑戰(zhàn)，主要是因為C=O鍵的高解離能。Nb₂O₅因其高導帶位置和強大的還原能力而在光催化領(lǐng)域受到關(guān)注。

本研究通過簡單的一步電紡絲技術(shù)制備了In₂O₃/Nb₂O₅ S-型異質(zhì)結(jié)，實現(xiàn)了兩相之間的緊密接觸，從而促進了超快的界面電子轉(zhuǎn)移(<10皮秒)。這種結(jié)構(gòu)有效地分離了光生電子和空穴，分別在Nb₂O₅的導帶和In₂O₃的價帶中積累，并延長了它們的壽命，促進了它們參與后續(xù)的光反應。結(jié)合Nb₂O₅上穩(wěn)定的CO₂的高效化學吸附和活化，所得的In₂O₃/Nb₂O₅復合納米纖維展示了改善的CO₂轉(zhuǎn)化光催化性能。

圖文導讀

圖1：合成示意圖和In₂O₃/Nb₂O₅異質(zhì)結(jié)的形貌與結(jié)構(gòu)。

圖2：在異質(zhì)結(jié)內(nèi)的In₂O₃和Nb₂O₅之間的電子轉(zhuǎn)移，包括高分辨XPS光譜和In₂O₃(111)與Nb₂O₅(100)的計算靜電勢。

圖3：In₂O₃和In₂O₃/Nb₂O₅ S-型異質(zhì)結(jié)界面上光電子轉(zhuǎn)移動態(tài)的見解，包括偽彩圖、瞬態(tài)吸收光譜和動力學衰減曲線。

圖4：純Nb₂O₅和In₂O₃/Nb₂O₅ S-型異質(zhì)結(jié)界面上的光電子轉(zhuǎn)移動態(tài)，包括瞬態(tài)吸收光譜和動力學衰減曲線。

圖5：In₂O₃/Nb₂O₅雜化納米纖維對CO₂的化學吸附和活化。

圖6：光催化CO₂還原的性能和機理研究。

總結(jié)展望

本研究通過一步電紡絲技術(shù)成功制備了In₂O₃/Nb₂O₅ S-型異質(zhì)結(jié)，該異質(zhì)結(jié)通過超快的界面電子轉(zhuǎn)移(<10皮秒)，有效地分離和積累了光生電子和空穴，顯著提高了CO₂光還原性能。

DFT計算和CO₂-TPD分析結(jié)果表明，In₂O₃/Nb₂O₅異質(zhì)結(jié)上CO₂分子的化學吸附和活化效率高。優(yōu)化后的In₂O₃/Nb₂O₅納米纖維在沒有分子催化劑或犧牲劑的情況下，CO產(chǎn)量高達0.21 mmol g_{active sites}^-1 h^-1。本工作強調(diào)了利用先進的fs-TAS技術(shù)探索S型異質(zhì)結(jié)界面超快電荷轉(zhuǎn)移的潛力，并為設計和開發(fā)新型高效的光催化劑提供了重要的理論基礎和實驗依據(jù)。

文獻信息

標題：Ultrafast electron transfer at the In₂O₃/Nb₂O₅ S-scheme interface for CO₂ photoreduction

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-49004-7