钨酸铋超薄二维结构实现增加的光催化还原CO2性能

　　近日，谢毅教授课题组在原子级厚二维超薄结构的制备及应用领域取得新进展。该结果发表在 Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201506966上。

　　人工光合作用，即常温常压下利用太阳光将二氧化碳和水直接转换成有价值的燃料，一直被视为同时解决能源和环境问题的最有前途的策略之一。近年来，一些研究表明少数硫化物、磷化物和氮化物具有光还原CO₂活性，但这些材料容易发生光腐蚀而失去活性。相比之下，氧化物基半导体具有较强的热力学稳定性，适于太阳光还原CO₂。该工作首次构建了一个氧化物基半导体的超薄二维结构的材料模型，它不仅能提供丰富的催化活性位点，而且具有良好的二维电导率和优越的结构稳定性。以Bi₂WO₆为例，通过制备Bi-油酸根层状杂化中间体得到正交相Bi₂WO₆原子级厚二维结构。得益于原子级厚度，Bi₂WO₆二维超薄结构能够吸附3倍于块材的CO₂吸附量，且具有更高的光吸收能力。第一性原理计算显示，相对于块材，正交相Bi₂WO₆二维超薄结构的态密度在费米面附件有显著的增加，这有利于载流子的传输。时间分辨荧光光谱显示Bi₂WO₆二维超薄结构中载流子寿命为83.2 ns, 远大于块材的14.7 ns，这证实了超薄结构有利于降低电子-空穴复合速率。光还原CO₂的实验结果表明 Bi₂WO₆二维超薄结构做催化剂时甲醇生成速率为75 μmol g^-1 h^-1，比块材高出125倍，且稳定性良好。该工作为设计高效的光催化还原CO₂催化剂提供了新的思路。