S-scheme heterojunction with intraband defect levels for artificial photosynthesis  

含有带内缺陷能级的S型异质结用于人工光合作用

作　　者：Xiaoming Liu Zhifeng Jiang 刘晓明;姜志锋(茅台学院资源环境系,贵州仁怀564507;江苏大学能源研究院/化学与化工学院,江苏镇江212013)

机构地区：[1]Department of Resources and Environment,Moutai Institute,Renhuai 564507,Guizhou,China [2]Institute for Energy Research,School of Chemistry and Chemical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2025年第3期5-7,共3页催化学报(英文)

基　　金：国家自然科学基金(22178149,2478166).

摘　　要：The increasing dependence on fossil fuels and the consequent CO_(2)emissions have prompted urgent energy and environmental challenges[1,2].Solar-driven CO_(2)conversion into value-added fuels offers a sustainable and promising solution to these issues[3].However,the practical implementation of CO_(2)photoreduction is constrained by low efficiency,primarily due to the rapid recombination of photogenerated electron-hole pairs[4].化石燃料的过度使用及其引发的CO_(2)排放带来了严峻的能源和环境挑战.太阳能驱动CO_(2)转化为增值燃料是一种可持续且.有前景的解决方案.然而,光生电子-空穴对的快速复合限制了CO_(2)光还原的效率.为应对这一挑战,采用具有交错能带结构的氧化型和还原型光催化剂耦合形成S型异质结复合光催化剂是有效策略.其中,弱还原氧化能力的光生载流子会复合,保留强还原氧化能力的光生电子和空穴参与光催化反应.这不仅提升了载流子的分离效率,还增强了催化体系还原氧化能力,从而显著提高光催化效率.近年来,许多S型异质结被开发以提升光催化CO_(2)还原性能;然而,大部分光催化剂在合成过程中会形成缺陷能级,影响电荷转移动力学、传输路径以及表面催化反应.缺陷能级的深度在其中又起着至关重要的作用,但尚未得到充分探索,导致对S型异质结光催化体系的理解和优化存在空白.Xu等人开发了具有可控缺陷能级的WO3_(-x)/In_(2)S_(3)S型异质结,在无需分子催化剂和牺牲剂的情况下显著提升了光催化CO_(2)还原性能.密度泛函理论计算表明,WO_(3-x)中深缺陷能级降低了其功函数,减小了WO_(3-x)与In_(2)S_(3)之间的费米能级差,影响了两相接触时的界面电荷转移,导致较弱的内建电场,从而影响光生载流子的转移和分离.原位光照X射线光电子能谱和飞秒瞬态吸收光谱分析表明,WO_(3-x)/In_(2)S_(3)S型异质结中深度适中的缺陷能级可以作为电子临时储存库,通过快速捕捉并缓慢释放光生电子,有效延长载流子寿命,提升光催化性能.此外,吉布斯自由能计算表明,缺陷能级深度适中的WO_(3-x)通过形成亚稳态的*O中间体,降低了H_(2)O氧化反应的决速步能垒,促进了H_(2)O转化为自由氧气分子,有效推动H_(2)O氧化和CO_(2)还原反应.重要的是,*O中间体会优先占据氧空位,防止了氧气还原造成的不必要�

关 键 词：artificial photosynthesis fossil fuels intraband defect levels HETEROJUNCTION 

分 类 号：O64[理学—物理化学]