贵州大学陈鹏课题组，ACB：氧空位和范德华异质结调控Mo2C/Bi4O5Br2界面化学键用以促进光催化CO2还原

【文章信息】

氧空位和范德华异质结调控Mo2C/Bi4O5Br2界面化学键促进光催化CO2还原

第一作者：彭海燕

通讯作者：陈鹏*

单位：贵州大学

【研究背景】

近年来，由于化石燃料的过度使用，造成了急剧增加的CO2排放量及严重的环境危机。在温和条件下，使用半导体材料将CO2直接光催化还原为燃料，被认为是一种有潜力的能源节约和环境保护方法之一。但是该领域的研究仍面临反应效率低、催化剂易失活等缺陷。Bi4O5Br2因其合适的导带位置、优异的光催化稳定性和可见光响应，广泛应用于光催化领域。

但是，该材料依然受到光生载流子复合率高且活性位点少等禁锢，致使其催化活性仍低于其他半导体材料。迄今为止，已报道多种方法（例如异质结构造、元素掺杂、形态控制和空位）被用于改善其光催化反应性能。特别是范德华异质结具有界面紧密、稳定性好、界面电荷迁移速度快等优点，极大地克服了上述缺陷。

​Mo2C，作为一种典型的助催化剂，因其导电性好、活性位点丰富、制备简单、功函数可调等优点，可将其与Bi4O5Br2构筑范德华异质结。另外，根据文献报道，在构造异质结的同时设计一定量的构建缺陷可调控其界面电子结构，形成强大的内建电场，促使电荷转移。综上所述，我们采用简单的水诱导自组装策略，合成了富氧缺陷的Bi4O5Br2与Mo2C的范德华异质结复合材料(BM)。得益于氧空位和范德华异质结的共同作用，诱导界面Mo-O键的形成，促使了内建电场的扩大、激子解离及电荷的快速转移，从而提升了光催化CO2还原效率。

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【文章简介】

近日，陈鹏老师课题组在化学类顶尖期刊Applied Catalysis B: Environmental发表了题为“Oxygen vacancy and Van der Waals heterojunction modulated interfacial chemical bond over Mo2C/Bi4O5Br2 for boosting photocatalytic CO2 reduction”论文。

​该文章提出一种具有氧空位和范德华异质结诱导界面Mo-O键形成的Mo2C/Bi4O5Br2（BM）复合材料。在不使用牺牲剂的情况下，BM表现出优异的CO2还原性能，约为随机Mo2C/Bi4O5Br2复合材料（WBM）的6倍。研究表明界面Mo-O键的形成会调控BM的表面电子结构，有助于激子的解离、内部电场的增强及CO2吸附。

Fig. 1.光催化还原CO2的机理图。

【本文要点】

要点一：利用简单的水诱导自组装方法制备了富氧空位的Mo2C/Bi4O5Br2范德华异质结材料

Fig. 2. （a）BM的合成示意图；（b）BM-3的SEM图；（c）BM-3的TEM图和（d）TEM放大图；（e-i）元素扫描图。

要点二：富氧空位和范德华异质结调控界面Mo-O键，促进了激子的解离和电荷的分离。

Fig. 3.（a）荧光光谱，（b）瞬态荧光光谱。（c）变温荧光光谱。（d）用KPFM检测表面电位。（e）样品的开路电压。（f）催化剂的光电流响应光谱。(g) 电化学阻抗谱。

要点三：提高了催化剂在CO2还原的光催化活性和稳定性

Fig. 4. （a）紫外-可见漫反射光谱；（b）不同材料CO2还原速率对比；（c）BM-3不同波长的量子效率；（d）BM-3光催化还原CO2实验的稳定性。

要点四：总结与展望

该工作通过一种简便的水诱导自组装方法合成具有氧空位的Mo2C/Bi4O5Br2范德华异质结。由于氧空位与范德华异质结的共同作用，诱导界面Mo-O键的形成。在不使用牺牲剂的情况下，BM表现出优异的CO2还原性能和稳定性，其光催化活性约为对照样的6倍。实验与理论计算数据表明，氧空位和范德华异质结共同作用，诱导界面Mo-O键的形成及调控BM的表面电子结构，有助于激子的解离、内部电场的增强及CO2吸附。

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【文章链接】

Oxygen vacancy and Van der Waals heterojunction modulated interfacial chemical bond over Mo2C/Bi4O5Br2 for boosting photocatalytic CO2 reduction – ScienceDirect

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121866

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【通讯作者简介】

陈鹏博士简介：陈鹏，贵州大学化学与化工学院特聘教授，致力于光催化小分子转化、废水处理、重金属脱除等研究。以第一作者或通讯作者在CHEM ENG SCI, APPL CATAL B: ENVIRON, J MATER CHEM A, ACS SUSTAIN CHEM ENG等学术刊物上发表多篇研究论文。

​【第一作者介绍】

彭海燕：现就读于贵州大学化学与化工学院，硕士研究生，研究光催化半导体转化方向。