北京理工大学材料学院张加涛

huachuan

北京理工大学张加涛研究团队针对Plasmon增强光催化剂的性能剪裁，利用原创的非外延生长方法与外延生长法相结合，实现了金属/半导体异质纳米晶光催化产氢（HER）到CO2RR的性能跨越。研究人员首先通过逆向竞争的阳离子交换反应合成了哑铃结构的Au/CdSe异质纳米晶。研究表明，Au/CdSe异质纳米晶具有单晶的CdSe半导体壳层、清晰的金属/半导体异质界面以及Plasmon增强热电子注入效率和高的HER活性。研究人员进一步对光催化剂的性能进行调控，通过外延生长法得到具有清晰异质界面的Au/CdSe-Cu2O多层异质纳米晶。基于多层异质结构外围的Cu2O壳层可以有效抑制HER过程，所以构建的Au/CdSe-Cu2O多层异质纳米晶具有高的CO2RR活性，且其含碳产物的选择性高达100%。研究发现，光催化还原CO2的产物与光催化反应条件密切相关，在保证含碳产物高选择性条件下，可以通过调整光催化反应体系中H2O的含量，有效调节2电子还原产物CO与8电子还原产物CH4的比例及产率。测试表明，构建的多层异质纳米晶中的CdSe与Cu2O构成了Z-scheme异质结构，促进了光生电荷的分离，提高了光催化还原CO2的性能。Au纳米棒的LSPR效应提高了整体光催化剂的吸光性能，并提供了电场环境加速光生电荷的转移；异质纳米结构外围的Cu2O具有丰富的氧空位和羟基基团，提高了CO2的吸附性能并为光催化反应提供了丰富的活性位点；中间的CdSe半导体作为一种光生电荷转移的桥梁，提高了光生电荷的传输效率。在最优的光催化条件下，Au/CdSe-Cu2O多层异质纳米晶60小时内稳定的生成CO与CH4的速率分别为254 和123 μmol g-1 h-1。相关论文在线发表在Small（DOI：10.1002/smll.202000426）上。