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[转载]江苏大学夏杰祥教授、朱文帅教授课题组：Au纳米粒子/超薄BiOBr纳米片复合材料的构筑及其增强光催化CO2还原性能研究

已有 2669 次阅读 2022-3-25 14:26 |个人分类:精选文章|系统分类:论文交流|文章来源:转载

1. 研究背景

光催化还原CO₂为碳基燃料是实现“碳中和”国家战略、缓解能源危机的有效策略之一。光催化CO₂还原的关键是高性能催化剂的制备。当前，半导体材料依然存在光生载流子分离传输性能不理想、光吸收能力差、CO₂分子吸附/活化位点不足等缺点，阻碍了光催化CO₂还原技术的进一步应用。因此，亟需探索有效的催化剂改性方法，增强光催化CO₂还原的性能。

江苏大学夏杰祥教授和朱文帅教授课题组采用原位光还原策略构建了Au纳米粒子耦合超薄BiOBr纳米片复合材料。首先，Au纳米粒子具有特殊的局域表面等离子体共振效应，显著增强了催化剂对可见光的吸收。其次，Au纳米粒子/BiOBr复合结构显著提升了光生载流子的分离效率。此外，BiOBr激发的电子与等离子体Au纳米粒子产生高能热电子同步促进了CO₂分子的活化。活性研究显示，所制备Au/BiOBr复合材料具有显著增强的CO₂还原性能。在纯水体系中，300 W Xe灯和可见光（λ > 400 nm）照射5小时后Au/BiOBr复合材料还原CO₂为CO的产率分别达到了135.3、16.43 μmol g⁻¹，分别是BiOBr单体的1.52和2.54倍。文章发表在Green Chemical Engineering（GreenChE），题为“Crafting of plasmonic Au nanoparticles coupled ultrathin BiOBr nanosheets heterostructure: Steering charge transfer for efficient CO₂ photoreduction”。

2. 研究亮点

1. 通过原位光还原策略，构建了Au纳米粒子负载超薄BiOBr纳米片复合材料。

2. 金纳米粒子可作为“电子陷阱”，实现电荷的高效传输。

3. BiOBr和等离子体Au纳米粒子同步强化CO₂分子活化。

3. 内容概述

首先以超薄BiOBr纳米片为前驱体，通过原位光还原策略制备了Au/BiOBr复合材料（图1）。从透射电镜图（图2）可知，BiOBr材料为超薄纳米片结构，Bi、O、Br、Au四种元素均匀分布在所制备复合材料中。

图1. Au/BiOBr复合材料制备示意图。

图2. Au/BiOBr复合材料的（a，b）透射电镜图、（c）高倍电镜图、（d）高角度环形暗场扫描透射电镜图以及（e）Bi，（f）O，（g）Br和（h）Au对应的元素分布图。

300 W Xe灯以及可见光（λ > 400 nm）照射5小时后，Au/BiOBr材料光催化还原CO₂为CO的产率分别为135.3 μmol g⁻¹和16.43 μmol g⁻¹，分别是BiOBr单体的1.52倍和2.54倍（图3a，b）。结果显示Au负载在BiOBr表面，可以有效地提高材料的光催化活性。此外，连续20 h光催化CO₂还原测试过程中CO的产率持续上升（图3c），说明材料具有良好的活性稳定性。长时间CO₂光还原测试后Au/BiOBr材料的XRD结果表明其晶体结构并没有明显变化，说明所制备材料具有良好的结构稳定性（图3d）。

图3.（a）BiOBr和Au/BiOBr材料Xe灯光照5 h还原CO₂为CO的产率图；（b）BiOBr和Au/BiOBr材料可见光照5 h还原CO₂为CO的产率图；（c）Au/BiOBr材料光催化反应20 h还原CO₂为CO的产率图；（d）Au/BiOBr材料反应20 h前、后的XRD图。

进一步通过原位傅里叶变换红外光谱探究了CO₂光还原过程的中间产物，可以发现双齿碳酸根（b-CO₃^2-）、单齿碳酸根（m-CO₃^2-）、碳酸氢根（HCO₃^-）以及COO^-的特征峰（图4a）。根据原位红外光谱测试和光电化学测试结果给出了可能的光催化机理。如图4b，在光照下，Au/BiOBr复合材料中的电子从BiOBr的VB被激发到CB。Au纳米粒子不仅作为“电子陷阱”捕获BiOBr上的电子，其独特的等离子体效应还可诱导产生高能热电子注入BiOBr材料导带，同步促进催化剂表面吸附的CO₂高效还原为CO（图4b）。

图4. Au/BiOBr材料的（a）原位红外光谱图和（b）光催化CO₂还原机理图。

4. 总结与展望

近年来，该课题组围绕半导体光催化CO₂还原技术与应用开展了系列前沿研究工作，旨在为CO₂绿色转化提供技术参考。本工作通过设计Au纳米粒子负载BiOBr超薄纳米片实现了催化剂太阳能转换效率和惰性分子CO₂活化同步增强，可以为构建先进的半导体CO₂还原催化剂提供新思路。

文章信息：

Title: Crafting of plasmonic Au nanoparticles coupled ultrathin BiOBr nanosheets heterostructure: Steering charge transfer for efficient CO₂ photoreduction

Authors: Gaopeng Liu, Lin Wang, Xin Chen, Xingwang Zhu, Bin Wang, Xinyuan Xu, Ziran Chen, Wenshuai Zhu*, Huaming Li, Jiexiang Xia*

https://doi.org/10.1016/j.gce.2021.11.007

通讯作者简介

夏杰祥教授

夏杰祥，博士，教授，博士生导师。中国化学会会员，中国感光学会会员。2006年毕业于江苏大学化学专业，获理学学士学位。2011年毕业于江苏大学环境工程专业，获工学博士学位。2016年2月至2018年3月在美国橡树岭国家实验室进行访问学者研究。现主要从事铋系材料的设计及其在光催化CO₂转化方面的研究。近5年来，以第一/通讯作者已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Energy, Appl. Catal. B-Environ., Small等国际期刊发表50余篇论文，21篇论文入选ESI-TOP 1%论文。2017年入选英国皇家化学会期刊“Top 1%高被引中国作者”榜单。2019和2021年分别入选科睿唯安全球高被引科学家名单。

朱文帅教授

朱文帅，江苏大学化学化工学院教授，博士生导师。2009年毕业于江苏大学，获工学博士学位，2015至2016年在美国橡树岭国家实验室从事访问学者研究。现主要从事石油化工、能源化工和环境化工等领域研究。曾获中国化工学会侯德榜化工科学技术青年奖、中国化工学会科学技术基础研究类一等奖。先后主持国家自然科学基金优秀青年科学基金、国家自然科学基金面上项目、科技部重点研发和江苏省自然科学基金等多项课题，在Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., AIChE J., Small, Green Chem., Chem. Eng. J., Ind. Eng. Chem. Res.等国际化学、化工主流期刊发表SCI论文200余篇，他引7000余次。

期刊简介

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，目前已被DOAJ和Scopus数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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