S型SnO2/BiOBr异质结光催化还原CO2的电荷传输机理

安月皎 刘文暄 张艳峰 张建军 路战胜

引用本文: 安月皎, 刘文暄, 张艳峰, 张建军, 路战胜. S型SnO2/BiOBr异质结光催化还原CO2的电荷传输机理[J]. 物理化学学报, 2024, 40(12): 240702. doi: 10.3866/PKU.WHXB202407021 shu
Citation:  Yuejiao An, Wenxuan Liu, Yanfeng Zhang, Jianjun Zhang, Zhansheng Lu. Revealing Photoinduced Charge Transfer Mechanism of SnO2/BiOBr S-Scheme Heterostructure for CO2 Photoreduction[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(12): 240702. doi: 10.3866/PKU.WHXB202407021 shu

S型SnO2/BiOBr异质结光催化还原CO2的电荷传输机理

    通讯作者: 张艳峰, zhangyanfeng@hebtu.edu.cn; 张建军, zhangjianjun@cug.edu.cn; 路战胜, zslu@buct.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金项目 12274118

    国家自然科学基金项目 52202375

    河北省自然科学基金 B2020205013

    河北省自然科学基金 B2022205008

    河北师范大学科技项目 L2021K01

    河北省创新能力提升计划项目 22567604H

    河南省杰出外籍科学家工作室 GZS2023007

    河南省高等学校重点科研项目计划基础研究专项 22ZX013

摘要: S型异质结可以实现光生载流子有效空间分离,保持较强的氧化还原能力。因此,深入了解S型异质结构的光致电荷转移动力学对提高其光催化性能至关重要。本文采用原位水热法制备了紧密接触的SnO2/BiOBr S型异质结。优化后的SnO2/BiOBr具有优异的光催化CO2还原性能,CO和CH4的产率分别为345.7和6.7 μmol·g–1·h–1,分别是纯BiOBr的5.6和3.7倍。利用原位XPS和飞秒瞬态吸收光谱(fs-TA)表征了SnO2/BiOBr S型异质结的光致电荷转移机制和动力学。发现光生载流子出现了新的拟合寿命,这可归因于S型异质结的界面电子转移,进一步证明了光电子从SnO2导带到BiOBr价带的超快转移通道。因此,BiOBr导带中的还原电子和SnO2价带中的氧化空穴得以保留。本研究对S型异质结的光致电荷传输机理提供了更深刻的理解。

English

    1. [1]

      Mushtaq, N.; Ahmad, A.; Wang, X.; Khan, U.; Gao, J. Chem. Eng. J. 2024, 486, 150098. doi: 10.1016/j.cej.2024.150098

    2. [2]

      Jiang, Y.; Chen, Q.; Wang, D.; Li, X.; Xu, Y.; Xu, Z.; Guo, G. Nano Res. 2023, 16, 6661. doi: 10.1007/s12274-023-5444-1

    3. [3]

      Luo, C.; Long, Q.; Cheng, B.; Zhu, B.; Wang, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (6), 2212026. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212026

    4. [4]

      Wang, Z.; Zou, G.; Park, J. H.; Zhang, K. Sci. China Mater. 2024, 67 (2), 397. doi: 10.1007/s40843-023-2698-5

    5. [5]

      Zhao, F.; Zhu, B.; Wang, L.; Yu, J. J. Colloid Interface Sci. 2024, 659, 486. doi: 10.1016/j.jcis.2023.12.173

    6. [6]

      Li, R.; Tung, C.; Zhu, B.; Lin, Y.; Tian, F.; Liu, T.; Chen, H.; Kuang, P.; Yu, J. J. Colloid Interface Sci. 2024, 674, 326. doi: 10.1016/j.jcis.2024.06.176

    7. [7]

      Guan, C.; Liao, Y.; Xiang, Q. Sci. China Mater. 2024, 67 (2), 473. doi: 10.1007/s40843-023-2703-0

    8. [8]

      Xu, Q.; He, R.; Li, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (6), 2211009. doi: 10.3866/PKU.WHXB202211009

    9. [9]

      Li, Y.; Gao, C.; Jiang, W.; Zhuang, C.; Tan, W.; Li, W.; Li, Y.; Wang, L.; Liao, X.; Sun, Z.; et al. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 286, 119923. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.119923

    10. [10]

      Wang, Z.; Cheng, B.; Zhang, L.; Yu, J.; Tan, H. Sol. RRL 2022, 6, 2100587. doi: 10.1002/solr.202100587

    11. [11]

      Tu, W.; Zhou, Y.; Zou, Z. Adv. Mater. 2014, 26, 4607. doi: 10.1002/adma.201400087

    12. [12]

      Sun, Z.; Talreja, N.; Tao, H.; Texter, J.; Muhler, M.; Strunk, J.; Chen, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7610. doi: 10.1002/anie.201710509

    13. [13]

      Alhebshi, A.; Sharaf Aldeen, E.; Mim, R.S.; Tahir, B.; Tahir, M. Int. J. Energy Res. 2022, 46, 5523. doi: 10.1002/er.7563

    14. [14]

      Zhang, H.; Shao, C.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 195, 146. doi: 10.1016/j.jmst.2023.11.081

    15. [15]

      Liu, L.; Wang, Z.; Zhang, J.; Ruzimuradov, O.; Dai, K. Adv. Mater. 2023, 35, 2300643. doi: 10.1002/adma.202300643

    16. [16]

      Zhu, B.; Sun, J.; Zhao, Y.; Zhang, L.; Yu, J. Adv. Mater. 2024, 36, 2310600. doi: 10.1002/adma.202310600

    17. [17]

      Wang, L.; Zhu, B.; Zhang, J.; Ghasemi, J.B.; Mousavi, M.; Yu, J. Matter 2022, 5, 4187. doi: 10.1016/j.matt.2022.09.009

    18. [18]

      Yan, J.; Wei, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40, 2312024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202312024

    19. [19]

      Yu, W.; Bie, C. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40 (4), 2307022. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307022

    20. [20]

      Miao, Z.; Wang, Q.; Zhang, Y.; Meng, L.; Wang, X. Appl. Catal. B- Environ. 2022, 301, 120802. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120802

    21. [21]

      Xiao, Y.; Ji, Z.; Zou, C.; Xu, Y.; Wang, R.; Wu, J.; Liu, G.; He, P.; Wang, Q.; Jia, T. Appl. Surf. Sci. 2021, 556, 149767. doi: 10.1016/j.apsusc.2021.149767

    22. [22]

      Wang, S.; Zhang, D.; Pu, X.; Zhang, L.; Zhang, D.; Jiang, J. Small 2024, 2311504. doi: 10.1002/smll.202311504

    23. [23]

      Bian, Y.; He, H.; Dawson, G.; Zhang, J.; Dai, K. Sci. China Mater. 2024, 67 (2), 514. doi: 10.1007/s40843-023-2725-y

    24. [24]

      Xu, X.; Shao, C.; Zhang, J.; Wang, Z.; Dai, K. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40 (10), 2309031. doi: 10.3866/PKU.WHXB202309031

    25. [25]

      Duo, F.; Wang, Y.; Mao, X.; Fan, C.; Zhang, H. Cryst. Res. Technol. 2014, 49, 721. doi: 10.1002/crat.201400076

    26. [26]

      Ren, Y.; Yang, Y.; Jing, X.; Wang, X.; Song, H. Mater. Lett. 2019, 257, 126681. doi: 10.1016/j.matlet.2019.126681

    27. [27]

      Deng, J.; Xu, D.; Zhang, J.; Xu, Q.; Yang, Y.; Wei, Z.; Su, Z. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 180, 150. doi: 10.1016/j.jmst.2023.04.053

    28. [28]

      Deng, J.; Lei, W.; Fu, J.; Jin, H.; Xu, Q.; Wang, S. Sol. RRL 2022, 6 (8), 2200279. doi: 10.1002/solr.202200279

    29. [29]

      Li, X.; Li, K.; Ding, D.; Yan, J.; Wang, C.; Carabineiro, S. A. C.; Liu, Y.; Lv, K. Sep. Purif. Technol. 2023, 309, 123054. doi: 10.1016/j.seppur.2022.123054

    30. [30]

      (30) Ren, W.; Yang, J.; Zhang, J.; Li, W.; Sun, C.; Zhao, H.; Wen, Y.; Sha, O.; Liang, B. J. Alloy. Compd. 2022, 906, 164372. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.164372

    31. [31]

      Chen, S.; Liu, F.; Xu, M.; Yan, J.; Zhang, F.; Zhao, W.; Zhang, Z.; Deng, Z.; Yun, J.; Chen, R.; et al. J. Colloid Interface Sci. 2019, 553, 613. doi: 10.1016/j.jcis.2019.06.053

    32. [32]

      Sharma, B.; Sharma, A.; Myung, J. h. Sensor. Actuat. B Chem. 2021, 349, 130733. doi: 10.1016/j.snb.2021.130733

    33. [33]

      Yang, T.; Wang, J.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K. Chin. J. Catal. 2024, 58, 157. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64607-8

    34. [34]

      An, Y.; Zhang, Y.; Zhang, L. J. Alloy. Compd. 2024, 992, 174595. doi: 10.1016/j.jallcom.2024.174595

    35. [35]

      Sun, M.; Zhao, Q.; Du, C.; Liu, Z. RSC Adv. 2015, 5, 22740. doi: 10.1039/c4ra14187c

    36. [36]

      Hao, J.; Zhang, Y.; Zhang, L.; Shen, J.; Meng, L.; Wang, X. Chem. Eng. J. 2023, 464, 142536. doi: 10.1016/j.cej.2023.142536

    37. [37]

      Jiao, W.; Xie, Y.; He, F.; Wang, K.; Ling, Y.; Hu, Y.; Wang, J.; Ye, H.; Wu, J.; Hou, Y. Chem. Eng. J. 2021, 418, 129286. doi: 10.1016/j.cej.2021.129286

    38. [38]

      Guo, J.; Liao, X.; Lee, M.H.; Hyett, G.; Huang, C.C.; Hewak, D.W.; Mailis, S.; Zhou, W.; Jiang, Z. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 243, 502. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.09.089

    39. [39]

      Sayed, M.; Xu, F.; Kuang, P.; Low, J.; Wang, S.; Zhang, L.; Yu, J. Nat. Commun. 2021, 12, 4936. doi: 10.1038/s41467-021-25007-6

    40. [40]

      Hu, P.; Liang, G.; Zhu, B.; Macyk, W.; Yu, J.; Xu, F. ACS Catal. 2023, 13, 12623. doi: 10.1021/acscatal.3c03095

    41. [41]

      Sun, X.; Zhu, S.; He, D.; Lin, Y.; Ye, T. J. Colloid Interface Sci. 2024, 669, 295. doi: 10.1016/j.jcis.2024.04.226

    42. [42]

      Zhao, H.; Yu, Z.; Wu, R.; Yi, M.; Zhang, G.; Zhou, Y.; Han, Z.; Li, X.; Ma, F. J. Chin. Chem. Soc. 2022, 69, 925. doi: 10.1002/jccs.202200016

    43. [43]

      Yue, P.; Zhang, G.; Cao, X.; Wang, B.; Zhang, Y.; Wei, Y. Sep. Purif. Technol. 2019, 213, 34. doi: 10.1016/j.seppur.2018.12.003

    44. [44]

      Jia, Z.; Wang, F.; Xin, F.; Zhang, B. Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 6688. doi: 10.1021/ie102310a

    45. [45]

      Xu, F.; Meng, K.; Cheng, B.; Wang, S.; Xu, J.; Yu, J. Nat. Commun. 2020, 11, 4613. doi: 10.1038/s41467-020-18350-7

    46. [46]

      Zhang, Z.; Li, H.; Wang, X.; Su, S.; Xu, J. Chem. Eng. J. 2024, 493, 152473. doi: 10.1016/j.cej.2024.152473

    47. [47]

      Li, J.; Li, Z.; Liu, X.; Li, C.; Zheng, Y.; Yeung, K.; Cui, Z.; Liang, Y.; Zhu, S.; Hu, W.; et al. Nat. Commun. 2021, 12, 1224. doi: 10.1038/s41467-021-21435-6

    48. [48]

      Shao, G. Energy Environ. Mater. 2021, 4, 273. doi: 10.1002/eem2.12218

    49. [49]

      Zhao, X.; Li, J.; Song, X.; Liu, X.; Zhou, W.; Wang, H.; Huo, P. Appl. Surf. Sci. 2022, 601, 154246. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.154246

    50. [50]

      Song, M.; Song, X.; Liu, X.; Zhou, W.; Huo, P. Chin. J. Catal. 2023, 51, 180. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64480-8

    51. [51]

      Cheng, C.; Zhang, J.; Zhu, B.; Liang, G.; Zhang, L.; Yu, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202218688. doi: 10.1002/anie.202218688

    52. [52]

      Li, N.; Zhai, X.; Ma, B.; Zhang, H.; Xiao, M.; Wang, Q.; Zhang, H. J. Mater. Chem. A 2023, 11, 4020. doi: 10.1039/d2ta09777j

    53. [53]

      Qiu, J.; Meng, K.; Zhang, Y.; Cheng, B.; Zhang, J.; Wang, L.; Yu, J. Adv. Mater. 2024, 36, 2400288. doi: 10.1002/adma.202400288

    54. [54]

      Liu, B.; Cai, J.; Zhang, J.; Tan, H.; Cheng, B.; Xu, J. Chin. J. Catal. 2023, 51, 204. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64466-3

    55. [55]

      Deng, X.; Zhang, J.; Qi, K.; Liang, G.; Xu, F.; Yu, J. Nat. Commun. 2024, 15, 4807. doi: 10.1038/s41467-024-49004-7

    56. [56]

      He, Y.; Hu, P.; Zhang, J.; Liang, G.; Yu, J.; Xu, F. ACS Catal. 2024, 14, 1951. doi: 10.1021/acscatal.4c00026

    57. [57]

      Yu, H.; Huang, J.; Jiang, L.; Leng, L.; Yi, K.; Zhang, W.; Zhang, C.; Yuan, X. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 298, 120618. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120618

    58. [58]

      Zhang, G.; Cai, L.; Zhang, Y.; Wei, Y. Chem. Eur. J. 2018, 24, 7434. doi: 10.1002/chem.201706164

    59. [59]

      Huang, W.; Zhu, Q. J. Comput. Chem. 2009, 30, 183. doi: 10.1002/jcc.21055

    60. [60]

      Zhuang, C.; Chang, Y.; Li, W.; Li, S.; Xu, P.; Zhang, H.; Zhang, Y.; Zhang, C.; Gao, J.; Chen, G.; et al. ACS Nano 2024, 18, 5206. doi: 10.1021/acsnano.4c00217

    61. [61]

      Shao, X.; Li, K.; Li, J.; Cheng, Q.; Wang, G.; Wang, K. Chin. J. Catal. 2023, 51, 193. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64478-X

    62. [62]

      He, H.; Wang, Z.; Dai, K.; Li, S.; Zhang, J. Chin. J. Catal. 2023, 48, 267. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64420-1

    63. [63]

      Wang, K.; Cheng, M.; Xia, F.; Cao, N.; Zhang, F.; Ni, W.; Yue, X.; Yan, K.; He, Y.; Shi, Y.; et al. Small 2023, 19, 2207581. doi: 10.1002/smll.202207581

    64. [64]

      Wang, B.; Wang, X.; Lu, L.; Zhou, C.; Xin, Z.; Wang, J.; Ke, X.; Sheng, G.; Yan, S.; Zou, Z. ACS Catal. 2018, 8, 516. doi: 10.1021/acscatal.7b02952

    65. [65]

      Wang, Q.; Jin, Y.; Zhang, Y.; Li, Y.; Wang, X.; Cao, X.; Wang, B. J. Colloid Interface Sci. 2022, 606, 1087. doi: 10.1016/j.jcis.2021.08.116

    66. [66]

      Meng, K.; Zhang, J.; Cheng, B.; Ren, X.; Xia, Z.; Xu, F.; Zhang, L.; Yu, J. Adv. Mater. 2024, 36, 2406460. doi: 10.1002/adma.202406460

    67. [67]

      Xu, J.; Ju, Z.; Zhang, W.; Pan, Y.; Zhu, J.; Mao, J.; Zheng, X.; Fu, H.; Yuan, M.; Chen, H.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 8705. doi: 10.1002/anie.202017041

    68. [68]

      Heng, J.; Zhu, H.; Zhao, Z.; Yu, C.; Liao, P.; Chen, X. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 21672. doi: 10.1021/jacs.3c08571

    69. [69]

      Li, X.; Wang, S.; Li, L.; Sun, Y.; Xie, Y. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 9567. doi: 10.1021/jacs.0c02973

    70. [70]

      Wang, L.; Zhang, S.; Zhang, L.; Yu, J. Appl. Catal. B 2024, 355, 124167. doi: 10.1016/j.apcatb.2024.124167

    71. [71]

      Collins, S.; Baltanas, M.; Bonivardi, A. J. Catal. 2004, 226, 410. doi: 10.1016/j.jcat.2004.06.012

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  10
  • 文章访问数:  1210
  • HTML全文浏览量:  99
文章相关
  • 发布日期:  2024-12-15
  • 收稿日期:  2024-07-23
  • 接受日期:  2024-08-22
  • 修回日期:  2024-08-21
  • 网络出版日期:  2024-09-02
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章