《J. Am. Chem. Soc.》发表周勇教授课题组在晶面调控增强光催化CO2还原...

光催化CO2还原,又称为“人工光合成”,利用自然界中丰富的CO2和H2O借助光催化剂在太阳光照下还原成碳氢化合物和O2,既有利于解决由CO2带来的环境问题,也有利于缓解能源危机。因此,太阳能驱动CO2还原具有广阔的应用前景。目前,纳米材料的晶面调控,因其不同的晶面结构和表面而成为当今光催化领域的热点。但晶体面的暴露集中在同一个纳米颗粒上,光生载流子分离的空间尺度相对较小。因此,提高不同暴露晶体面的空间尺度是当前的一大挑战。

我校周勇教授课题组通过简单的溶液晶体外延生长方法合成了基于不同晶面暴露的CeO2同质结:四棱柱修饰的八面体结构,并把这种结构首次应用于光催化还原CO2产成CH4的反应中(图1)。在{111}晶面暴露的八面体上,通过调节{100}面暴露的四棱柱的长度和数量,提高光生载流子的分离和传输效率,使光催化CO2还原的效率获得大幅度提升。理论计算表明,对于CeO2,{100}晶面的电子有效质量远远大于{111}晶面,而{111}晶面的空穴有效质量大于{100}晶面,并且{100}晶面的导带电位更负于{111}晶面。因此,在光照情况下,光生电子容易从{100}迁移至{111}晶面,而光生空穴易于从{111}迁移至{100}晶面, 实现在同质结中的光生电子和空穴空间分离。该独特的纳米结构在380 nm单色光照下表现出0.2 %的量子效率,为设计和制备光生载流子高效分离的光催化剂提供了重要借鉴。

该研究成果于2015年7月20日在线发表在J. Am. Chem. Soc.上(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b05926)论文第一作者为2013级博士研究生李平同学,该工作得到国家973项目,国家自然科学基金,江苏省杰出青年基金,南京大学登峰计划(B) 等项目资助。(物理学院 杨柳 科技处)

图1. 四棱柱垂直生长的CeO2八面体光催化材料应用于光催化CO2还原产生CH4的模型图。

;