山东省储能学会理事长单位|山东科技大学于昊：铋纳米团簇CO2还原

在应对全球气候变暖和能源危机的挑战中，将太阳能转化为化学燃料成为了一个备受关注的研究领域。通过光催化作用将二氧化碳转化为甲烷、一氧化碳和乙醇等化学燃料，虽然取得了一定进展，但仍面临一些挑战，如太阳能利用率低、光生电子-空穴复合以及CO2分子吸附量低等问题。这些问题导致反应效率低下，限制了光催化技术的实际应用。

为了提高光催化活性，缺陷工程和助催化剂策略被广泛应用。其中，非化学计量的卤氧化铋(BixOyXz)作为一种具有潜力的光催化剂，其独特的层状结构可被转化为二维超薄纳米片。这些纳米片具有大的比表面积、原子厚度和配位不饱和的表面原子，有助于优化电子结构和表面结构，从而有利于光催化反应。通过结合缺陷工程和助催化剂策略对卤氧化铋进行改性，有望进一步提高光催化活性。

近期，一项研究采用缺陷加助催化剂的联合策略，通过一步水热法合成了铋纳米团簇修饰的含氧空位的氯氧铋超薄纳米片。该催化剂中的氧空位和铋纳米团簇共同作用，提高了光生电荷载的分离效率和光的吸收能力。这种多重结构显著增强了CO2的吸附量和活化能力，进而提高了CO2转化成CO的光催化反应活性和选择性。

图1. 超薄纳米片的晶体结构，透射电镜图像，原子力显微图像以及高分辨像。

研究亮点在于通过一步水热法合成了具有氧空位和铋纳米团簇的氯氧铋超薄纳米片。

这种结构优化了电子结构和能带，使其更有利于CO2还原反应；

同时增加了CO2的吸附量。

优化实验方案后，该催化剂在CO2的光催化实验中表现出极高的转化活性，且产物中仅生成CO。

同位素实验证实CO来源于CO2的还原反应，原位红外测试验证了CO2的还原机理。

此外，该催化剂还具有出色的稳定性，经过16小时的循环测试后，催化性能未出现衰减。

图2. 紫外可见吸收光谱、XPS 价带谱以及能带结构示意图。

该研究的成果为制备高活性高选择性的CO2还原光催化剂提供了新的研究思路和技术手段。通过结合缺陷工程和助催化剂策略，优化光催化材料的电子结构和表面性质，可以提高光生电荷分离效率和对CO2的吸附量。这种协同作用为解决CO2还原反应中的挑战提供了新的可能性，有望推动光催化技术在能源自由领域的应用。

（信息来源：光电功能材料与器件）