利用太阳光将CO2转化为有价值的燃料已经成为一个有前途的策略。然而,由于C=O键(750 kJ mol-1)的高解离能,光还原的有效性受到催化剂上CO2分子的化学吸附和活化的限制。因此,开发能够活化CO2的先进光催化剂已经成为CO2还原领域的关键问题。五氧化二铌(Nb2O5)是一种无毒的固体氧化物,具有高导带(CB)位置和强大的还原能力,最近在光催化领域引起了广泛关注。
密度泛函理论(DFT)计算表明,吸附在Nb2O5上的CO2分子与自由分子相比,在键长和角度上都发生了变化。此外,CO2的两个氧原子可以与Nb2O5的Nb原子形成化学键,这有助于激活稳定的CO2分子。然而,由于电子/空穴分离和电荷转移动力学缓慢,Nb2O5表现出较差的光催化性能。因此,目前迫切需要开发能够激活CO2、促进电荷载流子分离/转移动力学的Nb2O5基异质结,但这仍然是一项具有挑战性的工作。近日,中国地质大学(武汉)余家国和徐飞燕等通过将Nb2O5与氧化铟(In2O3)偶联,设计了一种具有窄禁带(2.9 eV)和可见光吸收的S型氧化光催化剂(In2O3/Nb2O5)。通过在同一静电纺丝溶液中混合两相前驱体,高温煅烧过程中同时生成In2O3和Nb2O5。这种“一锅法”制备方法确保了最大的相接触,促进了In2O3和Nb2O5之间的界面电荷转移。基于原位光谱表征和理论计算,In2O3/Nb2O5 S型异质结在CO2还原中的增强光催化性能可归因于以下几个关键因素:1.In2O3与Nb2O5之间的紧密相互作用;2.S型异质结界面上的超快光电子转移;3.Nb2O5 CB中的强光电子与In2O3 VB中的光生空穴的有效分离;4.纳米杂化体中电荷载体的寿命延长以及5.Nb2O5上有效的CO2化学吸附和活化。因此,在光照下,In2O3/Nb2O5光催化剂在没有任何分子共催化剂或清除剂的情况下的CO产率高达0.21 mmol gactive sites–1 h–1;加入分子共催化剂或清除剂后,CO产率为109.6 mmol gactive sites–1 h–1,同时也有少量的H2产生,产率为3.5 mmol gactive sites–1 h–1。此外,In2O3/Nb2O5在四个循环中的CO产量的下降可以忽略不计,光反应后催化剂的结构与反应前相比未发生明显变化,表明In2O3/Nb2O5异质结具有优异的CO2光还原稳定性。总的来说,该项工作揭示了S型异质结界面上超快电荷转移的机制,为异质结光催化剂的发展提供了指导,并拓宽了它们在人工光合作用中的潜在应用。Ultrafast electron transfer at the In2O3/Nb2O5 S-scheme interface for CO2 photoreduction. Nature Communications 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-49004-7
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