中国地质大学(北京)黄洪伟，发表AM！

学术 2024-11-10 10:30 广东

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对于光催化CO₂还原，光生电荷的有效分离和转移是提升光活性的关键。光催化剂的体积结构是决定载流子分离效率的一个重要因素，因此，人们对光催化剂进行了大量的研究工作。薄层催化剂由于从内部到表面的距离缩短，可以抑制材料体相中电荷重组的发生。同时，引入杂原子，能够加剧催化剂内部局部电荷的不均匀分布，导致内部电场(IEF)快速分离大量电荷。

此外，极化工程，如铁电极化和自发极化，引入强大的内置电场可以促进体电荷分离和迁移。因此，开发高效的极化策略，并加深对体电荷快速分离极化效应机理的认识对于实现CO₂光还原的进一步发展具有重要意义。

近日，中国地质大学(北京)黄洪伟课题组报道了一种层状极性Bi₄O₅Br₂上的Cl⁻离子由内向外取代策略，以实现层状结构依赖的极化效应和氧化还原双位点活化。

实验结果表明，体相中的Cl⁻离子使卤素层间隙缩小了8‰，触发了不对称的[Bi₄O₅]²⁺层位移极化，使平均光电荷寿命延长到201.8 ps。同时，表面取代的Cl⁻离子增强了相邻Bi原子的电子给予能力，激活了本征Bi还原位点，增加了H₂O分子在附近本征O氧化位点的吸附。

此外，Cl⁻还使催化剂的p带中心向费米能级靠近，促进了反应物的吸附。因此，CO₂活化和限速*COOH中间形成步骤的能垒显著降低。

得益于体-表Cl取代提高的协同效应，最优的2Cl-BOB光催化剂在光照和没有牺牲剂与共催化剂条件下，其CO₂-CO转化速率达到50.18 μmol g^-1 h^-1，是BOB对照样的3.2倍，并且优于文献报道的大多数光催化剂。

此外，经过12小时的光催化反应，2Cl-BOB一直保持显著的光还原活性，显示出良好的稳定性。总的来说，该项研究通过催化剂的体相和表面的Cl取代实现了层状结构的极化调控和多个氧化还原位点的操纵，这为合理设计高效的光催化剂提供了新的策略。

Triggering asymmetric layer displacement polarization and redox dual-sites activation by inside-out anion substitution for efficient CO₂ photoreduction. Advanced Materials, 2024. DOI: 10.1002/adma.202413835

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