能带结构调控与内建电场增强的S型异质结提升光催化CO2还原性能

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhancing Photocatalytic CO 2 Reduction via S-scheme Heterojunctions with Tuned Band Structure and Enhanced Built-in Electric Field

　　本文通过构建S型异质结（SiW11Ni@TiO2和SiW11Cu@TiO2）有效抑制光生电子-空穴复合，其中功函数差（UPS分析显示1.30 eV）增大的SiW11Cu@TiO2具有更强内建电场，显著提升界面电子转移效率与活性氧物种生成，最终实现CO/CH4产率84.12/12.32 μmol·g-1·h-1，为设计高性能CO2光催化剂提供新策略。

　　

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INTRODUCTION

利用可再生太阳能将CO₂转化为高附加值太阳能燃料（如CO、CH₄等）被认为是解决未来能源与环境双重危机的有效途径之一。半导体光催化技术在将可持续太阳能转化为可储存化学能方面前景广阔，在能源与环境领域具有重要应用。然而，光生载流子快速复合的固有难题仍待突破。

Material and Instrumentation

所有试剂均为分析纯且直接使用。乙酸、叔丁醇、乙二醇、乙腈和三乙醇胺（>99%，Sigma-Aldrich）；KHCO₃、Co(CH₃COO)₂·4H₂O、NiSO₄·6H₂O、H₄SiW₁₂O₄₀·nH₂O、K₈SiW₁₁O₃₉·nH₂O、CH₃COOK、CuSO₄·5H₂O、KCl和Bi(NO₃)₃·5H₂O（>99%，Adamas）；钛酸四丁酯（>99%，Aladdin）。红外光谱（IR）通过布鲁克VERTEX 70v傅里叶变换红外光谱仪在4000-400 cm^?1范围内测定。材料表面形貌通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征。

Characterization of Photocatalyst

通过一步溶剂热法将SiW₁₁Co/SiW₁₁Ni分别与钛酸四异丙酯（Ti(OⁱPr)₄）复合制备SiW₁₁Co@TiO₂和SiW₁₁Ni@TiO₂。SEM图像显示二者均为不规则颗粒堆积形貌，且异质结界面无显著相分离，表明成功构建紧密复合结构。

CONCLUSION

综上所述，研究通过构建I型（SiW₁₁Co@TiO₂）和S型异质结（SiW₁₁Ni@TiO₂/SiW₁₁Cu@TiO₂）阐明界面能带对齐对CO₂光还原的影响。含铜S型异质结的功函数差从1.08 eV扩大至1.30 eV，成功增强内建电场，加速界面电子转移并促进活性氧物种生成，最终使SiW₁₁Cu@TiO₂的CO/CH₄产率显著提升。