研 究 背 景

CO₂的持续排放不断加剧全球变暖压力，将其转化为高附加值产物的太阳能光催化被认为是实现碳中和的重要路径。然而现实并不理想，多数体系效率有限、稳定性不足、选择性欠佳，还依赖贵金属助催化剂和牺牲剂，难以实现真正的可持续应用。铋基BiOX因具备良好的可见光响应和层状结构而受到关注，但传统调控方法复杂且往往牺牲结构稳定性。近年来光催化记忆效应为这一问题提供了新的思路，通过光生电子的存储与释放可驱动电子结构重构并诱导氧空位生成，但单一作用仍难以显著提升性能。在此基础上，引入具有独特4f电子能级结构的Er³⁺作为电子捕获中心，并与光催化记忆效应协同作用，实现了对BiOCl电子结构的进一步精细调控，为构建高效CO₂还原体系提供了新的设计思路。

成 果 介 绍

西南交通大学材料科学与工程学院李琦教授团队提出了一种Er³⁺掺杂与光催化记忆协同驱动的电子－缺陷调控策略。以表面活性剂辅助水热法制备的二维超薄BiOCl纳米片为模型体系，通过引入Er3+调控局域电子结构，并结合可见光预照射触发光催化记忆效应，将光生电子由瞬态激发转化为可持续“锁定”的结构调控单元。在Er³⁺相关能级的协同作用下，实现了电子的高效捕获与长效存储，并进一步诱导氧空位的生成与稳定化，驱动材料电子结构与能带构型的动态重构。该策略同时强化了内建电场与压电响应，优化了载流子的分离与迁移过程，从而为CO₂光催化转化构筑了更加高效且稳定的反应体系。

在此基础上，稳定氧空位的构筑显著增强了材料对CO₂分子的吸附与活化能力，使反应界面更加活跃。在光催化记忆效应与Er³⁺掺杂的协同调控下，该材料在光催化、压电催化以及光－压电协同催化CO₂转化过程中均表现出显著优于未掺杂样品的性能。尤为突出的是，在无需助催化剂、光敏剂或牺牲剂的条件下，于可见光与超声协同作用下，其光－压电催化CO₂还原CO的产率可达约3921.2 μmol g^-1 h^-1，为高效CO₂还原体系的构建提供了新的策略与启示。

该成果以“Superior CO₂ Conversion Performance by Er-Doped BiOCl Nanosheets Through Synergistic Photocatalytic Memory Effect and Er-Doping”为题发表在Carbon Energy 期刊上。

研 究 亮 点

1.电子结构重构与缺陷调控：在可见光驱动下，光催化记忆效应与Er掺杂协同作用，促进光生电子的高效捕获与长效存储，并诱导稳定氧空位的形成，从而驱动超薄BiOCl纳米片内部电子结构发生显著重构。

2.界面反应动力学优化：该协同调控显著提升材料的光吸收能力与载流子分离效率，同时增强对CO₂分子的吸附与活化能力，从而改善反应界面动力学过程。

3.高效选择性CO₂转化性能：在上述机制共同作用下，CO₂向CO的转化效率显著提升，且表现出接近100%的高选择性，表明光催化记忆效应与Er掺杂的耦合为高效CO₂转化提供了有效策略。

图 文 解 析

图1：Bi_0.98Er_0.02OCl 纳米片样品的（A）TEM 图像，（B）AFM 形貌图，（C）AFM 厚度剖面图以及（D）－（G）EDX 元素分布图。

图2：（A）DFT计算的CO₂吸附能及其在BiOCl与Er-BiOCl-Ov表面的吸附构型，（B, C）对应的表面态密度，（D）BiOCl与Bi_0.98Er_0.02OCl在预光照前后的CO₂吸附性能，（E, F）BiOCl与Er-BiOCl-Ov的电子局域函数，（G, H）BiOCl与Er-BiOCl-Ov在暗态及光/超声条件下的EPR谱，（I）表面电荷密度差。

图3：BiOCl纳米片和Bi_0.98Er_0.02OCl纳米片在未预先可见光照射和预先可见光照射10 min条件下的性能表征：（A）紫外–可见漫反射光谱，（B）光吸收光谱（插图为Tauc曲线），（C）EPR谱图，（D）拉曼光谱，（E, F）d₃₃值，（G）光电流密度，（H）PL光谱，（I）TRPL衰减曲线。

图4：BiOCl与Bi_0.98Er_0.02OCl纳米片在预光照前后的CO₂还原性能与机理分析：（A）和（B）光/压电及光压电协同催化下的CO生成速率，（C）对照实验中的CO生成速率，（D）¹³CO₂同位素GC–MS分析，（E）原位红外分析，（F）反应中间体的吉布斯自由能变化，（G）光－压电协同催化机理示意图。

研 究 小 结

综上所述，通过简单且稳健的水热法成功制备了具有光催化记忆效应的二维超薄Bi_1-xEr_xOCl纳米片。研究表明，Er³⁺掺杂与可见光预照射诱导的光催化记忆效应可协同调控BiOCl的内部电子结构，从而显著优化其电子态分布与缺陷特征。在该协同作用下，Bi_1-xEr_xOCl纳米片相比未掺杂BiOCl表现出更丰富的氧空位、更强的可见光吸收能力、更负的导带位置、更显著的压电响应，以及更优的载流子分离与迁移性能，同时对CO₂的吸附与活化能力也得到明显增强。上述结构与电子性质的协同优化，共同促进了材料在光催化、压电催化以及光－压电协同催化CO₂还原反应中的整体性能提升。在最佳2 mol% Er³⁺掺杂条件下，Bi_0.98Er_0.02OCl纳米片表现出最优的CO₂还原性能。在可见光照射下，该材料可在纯水体系中高效将CO₂还原为CO，且选择性接近100%，无需任何助催化剂、光敏剂或牺牲剂参与。其光－压电协同催化CO₂生成CO的速率显著高于目前已报道的大多数铋基光催化体系，并具有良好的循环稳定性。本研究为利用稀土离子掺杂调控光催化记忆效应提供了新的思路，其协同机制也进一步拓展了该类材料在光催化与压电催化等能源与环境领域中的应用潜力。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Superior CO₂ Conversion Performance by Er-Doped BiOCl Nanosheets Through Synergistic Photocatalytic Memory Effect and Er-Doping

文章研究方向：

光电催化— —CO2还原

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70204

DOI: 10.1002/cey2.70204

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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