利用太陽(yáng)能將CO₂光還原轉(zhuǎn)化為化學(xué)品被認(rèn)為是緩解能源危機(jī)和溫室效應(yīng)的有效方法。然而，由于C=O鍵(750 kJ mol^?1)的高解離能，CO₂分子具有高度的穩(wěn)定性，這導(dǎo)致CO₂光催化轉(zhuǎn)化效率較低。因此，為了提高純水體系中CO₂的光還原效率，需要設(shè)計(jì)具有高光生電荷分離效率和大量CO₂還原活性中心的高效光催化劑。

近日，新加坡南洋理工大學(xué)劉政、南京理工大學(xué)姜煒和中科院物理研究所陳海龍等提出了一種同步表面和界面雙極化策略，利用Bi₂₄O₃₁Br₁₀原子層中的可以觸發(fā)黑磷(BP)和Bi₂₄O₃₁Br₁₀之間的強(qiáng)耦合，通過(guò)電負(fù)性誘導(dǎo)電荷重新平衡形成具有重構(gòu)界面的BP-Bi₂₄O₃₁Br₁₀催化劑。

為了評(píng)估所制備的BP-Bi₂₄O₃₁Br₁₀的催化活性，在沒(méi)有添加光敏劑、有機(jī)溶劑或犧牲劑的情況下，在氙燈照射下進(jìn)行了CO₂還原實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的BP-Bi₂₄O₃₁Br₁₀通過(guò)在水中催化CO₂光還原，CO生產(chǎn)速率達(dá)到39.8 μmol g^?1h^?1，分別是缺陷Bi₂₄O₃₁Br₁₀和貧缺陷Bi₂₄O₃₁Br₁₀的2.4倍和46.8倍。此外，空位有助于提高重構(gòu)界面的周期穩(wěn)定性：在四個(gè)循環(huán)后，BP-Bi₂₄O₃₁Br₁₀-0.5的光催化活性沒(méi)有明顯下降，并且其晶體結(jié)構(gòu)在循環(huán)后也沒(méi)有發(fā)生變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，Bi₂₄O₃₁Br₁₀表面的Bi-O空位對(duì)和重構(gòu)的BP/Bi₂₄O₃₁Br₁₀界面使得表面和界面雙極化成為可能，這相當(dāng)于從Bi₂₄O₃₁Br₁₀內(nèi)部到BP表面形成了一個(gè)電子橋，導(dǎo)致內(nèi)部光生電子能夠快速遷移到表面。

此外，這種結(jié)構(gòu)有利于降低CO₂的活化能，有效地穩(wěn)定COOH*中間體，并且能夠降低速率控制步驟能壘，促進(jìn)了CO₂的光還原。綜上，這項(xiàng)工作揭示了界面表面雙極化與高效CO₂光還原之間的聯(lián)系，并且也為雙極化表面缺陷和重構(gòu)界面的同步設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

Vacancy Pair-Induced Charge Rebalancing with Surface and Interfacial Dual Polarization for CO₂ Photoreduction. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.2c04675