缺陷态钒酸铋超薄结构实现高效稳定的光还原二氧化碳性能

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室谢毅教授、孙永福特任教授课题组在二维超薄材料缺陷结构的调控及其在新能源转化领域中的应用取得重要进展，该结果以“Highly Efficient and Exceptionally Durable CO2 Photoreduction to Methanol over Freestanding Defective Single-unit-cell Bismuth Vanadate Layers” 为题在线发表在Journal of the American Chemical Society, DOI: 10.1021/jacs.6b11263杂志上。

人工光催化还原二氧化碳技术是光催化剂在常温常压下直接利用太阳能将CO2和H2O转化为有用的碳氢燃料，可真正实现碳材料的循环使用，因而被认为是最具前景的CO2转化方法之一。然而，低的光转换效率以及显著的光腐蚀严重阻碍了光还原CO2的实际应用。近年来的一些研究表明，在光催化材料中引入缺陷能够显著改善其光催化还原CO2的性能；然而，对于缺陷结构在光催化过程中原子尺度的作用还不是很清楚，这主要是因为缺乏理想的结构模型来论证缺陷结构与光催化活性之间的关系。

为了解决这些问题，谢毅教授、孙永福特任教授课题组构建了二种理想的结构模型也即是富/贫缺陷的二维超薄结构。以正交相的钒酸铋为例，他们利用一种杂化中间体辅助法宏量制备了不同钒缺陷含量的钒酸铋超薄结构，并对其物相和结构进行了详细的表征。表面光电压谱和时间分辨的荧光寿命谱测试结果表明，含有较多钒缺陷的钒酸铋超薄结构能够更有效的促进光生载流子的分离，进而能够获得高达398.3 μmol g-1 h-1的甲醇生成速率，这比含有较少钒缺陷的钒酸铋超薄结构的甲醇生成速率提高了1.4倍。更为重要的是，经过96小时的催化反应，含有较多钒缺陷的钒酸铋超薄结构的光催化活性没有发生明显衰减，证实了它优异的光稳定性。该工作为设计高效稳定的光催化还原CO2催化剂提供了新的思路。