电子科大乔梁教授团队 CEJ：硫、碳耦合新型双钙钛矿氧化物的电子和化学协同效应促进光催化CO2还原

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在光催化太阳能转换为太阳能燃料领域，较高的空间电荷分离率和电子迁移率为设计高效的光催化系统探索一条新途。作为一种新型光催化材料，钙钛矿型半导体材料在多相光催化方面引起了人们极大的兴趣，尽管其表现出显著的光催化性能，但由于其本征态存在诸多不利因素，如分离光生电荷以驱动表面反应的驱动力较弱，以及电荷迁移率率较低等，导致了其生成太阳能燃料的效率不高，这限制了其进一步广泛应用。近日，电子科技大学乔梁教授课题组在《 Chemical Engineering Journal 》期刊上发表题为“Accelerating CO₂ Reduction on Novel Double Perovskite Oxide with Sulfur, Carbon Incorporation: Synergistic Electronic and Chemical Engineering”的文章。通过KCl/NaCl助熔剂法，合成了高对称性各向异性双钙钛矿氧化物半导体（18面的Sr₂CoTaO₆）。通过硫和碳在Sr₂CoTaO₆的晶格中共掺杂，诱导微应变促进电荷密度提升，并调节电荷的迁移率，以提升光催化CO₂转化率。结果表明，在可见光照射下，S和C的共掺杂的Sr₂CoTaO₆样品比纯样品光催化CO₂还原性能高出11倍，且CO₂还原为CH₄和CO表现出优异的活性和选择性。S和C掺杂剂的引入对提高SCTO颗粒中的费米能级和电荷载流子迁移率起到了关键作用，从而增强了太阳能燃料的CO₂光还原性能。这种增强的迁移率和空间电荷的协同效应加速了光生电荷分离，从而显著提高了CO₂光催化转化为太阳能燃料的效率。我们相信，钙钛矿氧化物半导体中的电子和结构工程将为构建用于太阳能燃料转换的高效光催化剂系统开辟新的途径。
图1. (a)SCTO双钙钛矿的结构示意图，(b) SCTO和SCTO@S,C样品的XRD图. SCTO和SCTO@S,C样品的(c)拉曼光谱和(d)XPS价带谱图. (e) SCTO和(f) SCTO@S,C样品的4*4*6的超胞结构模型图。
图2. (a,b) SCTO样品的TEM图，(c,d) SCTO-SC样品的TEM图. (e) SCTO-SC样品的高分辨TEM图（插入图为选区电子衍射图），(f) SCTO和SCTO-SC样品的各元素面分布图。
图3. (a) SCTO-SC样品中S元素高分辨XPS图谱，(b) SCTO-SC样品中C元素高分辨XPS图谱. SCTO和SCTO-SC样品中(c) Sr元素，(d) Co元素,(e) Ta元素和(f) O元素高分辨XPS图谱。
图4. SCTO和SCTO-SC样品的(a)PL，(b)TRPL, (c)SPV ,(d)光电流密度，(e)开路电势响应曲线和(f)交流阻抗谱曲线。
图5. SCTO和SCTO-SC样品的（a） 紫外-可见漫反射光谱，（b）在两种不同电位（+0.8 V，+0.5 V）下400至600 nm范围内的IPCE光谱，（c）莫特-肖特基图，（d）原始SCTO的能带结构和PDO图和（e）C和S共掺杂SCTO的能带结构和PDO。
图6. （a，b）SCTO和SCTO-SC的光催化CO₂还原性能比较，（c）在可见光源下，SCTO(R)、SCTO(F)和SCTO-SC的太阳能燃料生产率，（d）SCTO和SCTO的光催化循环稳定性，（e）SCTO-SC样品的¹²CO₂和 ¹³CO₂同位素光催化测试，（f）SCTO和SCTO-SC样品的EPR测试。
原文链接https://sciencedirect.53yu.com/science/article/abs/pii/S1385894722026511

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