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南昌航空大学代威力/许勇Appl. Catal. B: 构建高活性界面以调控激子高效解离,并强化光催化二氧化碳还原性能

2026-06-24 06:16:50

第一作者：许勇，胡坤娴，郑君瑶

通讯作者：代威力

通讯单位：南昌航空大学

论文DOI：10.1016/j.apcatb.2026.127099

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二维层状铋基光催化材料受激后易形成大量激子而自由载流子较少，激子解离效率低下成为制约CO₂光还原性能提升的关键难题。针对这一问题，南昌航空大学代威力教授和许勇副教授等人从激子调控角度出发，通过溶剂热法将氧化铋（BiO）量子点与氯氧化铋（BiOCl）紧密复合，成功构筑富含氧空位（O_v）的高活性两相界面。BiO量子点与BiOCl的紧密结合重构了材料电子结构，形成能量梯度与无序分布的带边态，有效削弱BiOCl的强激子效应，大幅降低激子结合能、缩短激子寿命，实现激子高效解离为自由电荷。界面处丰富的氧空位可快速捕获光生电子，提升邻近铋位点的电子密度与CO₂吸附活化能力。实验表征与密度泛函理论（DFT）计算结果证实：该异质界面显著降低了CO₂转化为*COOH、水分子解离等决速步骤的反应能垒。在无牺牲剂的液相体系中，最优样品2%BBOC的CO产率可达51.1 μmol g^-1，催化活性是纯BiOCl的18.2倍，同时兼具优异的循环稳定性。本工作阐明了界面氧空位、电子传输与激子解离之间的协同作用机制，为借助激子工程设计高效CO₂光还原催化剂、构建功能化界面缺陷体系提供了新思路与可行策略。

背景介绍

光催化二氧化碳还原技术为缓解温室效应与实现碳资源循环利用提供了可持续路径。传统三维半导体受光激发后易直接产生自由电子-空穴载流子，相关光催化机理研究多围绕载流子分离与迁移展开。与之显著不同，低维层状半导体因量子限域效应，光吸收过程中更容易形成束缚态激子，而非可自由迁移的载流子。较强的激子结合能会严重限制激子解离生成有效光生载流子，这一约束成为制约低维铋系光催化材料性能提升的关键瓶颈。现有大量研究多聚焦异质结构建、缺陷调控等策略优化载流子行为，却较少从激子演化的视角系统性研究低维材料的固有局限。基于此，本文选取典型低维BiOCl材料为研究对象，从激子调控角度开展光催化机制研究，通过构筑富含氧空位的BiO/BiOCl高活性界面，针对性调控激子解离动力学行为，同步协同界面氧空位实现CO₂高效吸附与活化，为低维光催化材料的性能优化开辟激子工程新途径。

本文亮点

1. 在BiOCl与BiO量子点的界面处生成高活性氧空位（O_v）；

2. 高活性界面可调控电子结构与能量分布，进而实现激子高效解离；

3. 界面O_v能够快速捕获电子，提升邻近铋位点的电子密度与二氧化碳吸附能力；

4. 界面高活性O_v可降低加氢还原能垒，提升二氧化碳还原反应活性。

图文解析

图1. (a)制备的光催化剂的XRD图谱; (b)和(c)分别为BiOCl的TEM与HRTEM图; (d)2%BBOC的HRTEM图; (e-h)2%BBOC的EDX元素分布图。

本研究采用分步溶剂热法制备系列复合材料，先分别合成BiOCl纳米片与BiO量子点，再以BiOCl为基底原位生长BiO QDs得到不同负载量的BBOC样品。XRD结果表明，复合后材料仍保持BiOCl完整晶相结构，BiO QDs因粒径小、负载量低未出现明显特征衍射峰。TEM与HRTEM证实BiO QDs均匀负载于BiOCl表面，两相结合处形成明显晶格缺陷区域，且可清晰观测到两种材料特征晶格条纹。EDX元素mapping显示Bi、O、Cl元素在材料表面均匀分布，无团聚现象，证明BiO QDs在基底上分散性优异，两相实现紧密界面结合。

图2. (a)各样品EPR谱图; (b)两相界面氧空位形成能; (c、d)样品激子结合能拟合结果; (e)时间分辨荧光光谱; (f)可见光下样品光电流密度对比。

EPR测试证明2% BBOC拥有最高浓度的氧空位，理论计算表明两相界面是氧空位的优先生成位点。BiO与BiOCl复合后，材料激子结合能从38.8 meV降至30.6 meV，激子束缚作用显著减弱，更易解离为自由载流子。荧光光谱与光电化学测试结果显示，复合结构有效抑制电子-空穴复合、延长载流子寿命，同时大幅提升光电流响应与电荷转移效率。界面氧空位与重构的电子结构协同作用，实现了激子高效解离与载流子快速定向传输。

图3. (a)不同光催化剂的CO₂还原性能对比; (b)CO产率随光照时间的变化规律; (c)以¹³CO₂为原料的产物质谱分析图; (d)2%BBOC循环稳定性测试结果。

催化性能测试表明，BiO负载量为2%时样品性能最优，2%BBOC的CO产率达51.1 μmol g^–1，是纯BiOCl的18.2倍。CO产量随光照时长线性增长，同位素标记实验证实产物CO完全来源于CO₂还原，排除碳污染干扰。经过多次循环测试后，催化剂活性无明显衰减，结合结构表征可确定材料晶相、形貌均保持稳定。2%BBOC兼具优异的催化活性与循环使用稳定性。

图4. (a)CO₂在不同活性位点的吸附能; (b)2%BBOC光催化过程原位DRIFTS光谱; (c)CO₂还原生成CO的吉布斯自由能变化曲线; (d)界面调控CO₂光还原反应机理示意图。

理论计算表明，界面氧空位邻近的Bi位点对CO₂吸附能最强，可高效吸附并活化反应物。原位红外光谱实时捕获*CO₂⁻、*COOH等关键中间体，明确反应路径，其中*CO₂→*COOH为反应决速步。自由能计算显示，2%BBOC有效降低了决速步反应能垒，热力学上更利于反应进行。异质界面降低激子结合能，实现激子快速解离，光生电子定向迁移至界面活性位点，富集的氧空位强化CO₂吸附活化、降低反应能垒，最终完成CO₂向CO的高效光催化转化。

总结与展望

本工作针对二维BiOCl材料激子难以解离、CO₂光还原活性低的问题，采用原位复合策略制备2%BBOC材料。实验与理论计算共同证明，异质界面可有效无序化能带结构、降低激子结合能，从根源上提升激子解离效率。同时界面处易形成高密度氧空位，作为活性中心强化CO₂吸附活化，并优化反应热力学能垒。在无牺牲剂的水相体系中，2%BBOC实现了CO₂向CO的高效转化，兼具高活性与结构稳定性。本研究从激子工程与界面缺陷调控双重角度揭示了催化增强机制，拓展了铋基光催化剂在CO₂资源化利用领域的应用，也为低维半导体光催化体系的改性设计提供了借鉴。

文献信息

Yong Xu, Kunxian Hu, Junyao Zheng, Weili Dai, Man Zhang, Jiaxin Qiu, Jianping Zou and Xubiao Luo, Building a highly active interface for modulating efficient dissociation of excitons and bolstering photocatalytic activity toward CO₂ reduction. Applied Catalysis B: Environment and Energy. 2026. DOI: 10.1016/j.apcatb.2026.127099

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.127099

作者介绍

代威力，教授、硕士生导师、南昌航空大学期刊社社长，农工党第十七届中央委员会委员、政协江西省第十三届委员会常委、农工党江西省委员会副主委、农工党南昌航空大学支部主委，先后入选江西省“双千计划”科技创新高端人才项目，江西省杰出青年人才资助计划人选、江西省百千万人才工程人选、江西省青年井冈学者，获江西省政府特殊津贴、第22届“江西青年五四奖章”。先后当选中国农工民主党第十六届中央生态环境工作委员会委员/十七届教育科技工作委员会委员、农工党中央长江生态环境保护民主监督专项工作组成员、中国化工学会化工新材料委员会委员、全国游憩环境专家智库成员，并担任江西省环境损害司法鉴定机构登记评审专家，Fine Chemical Engineering、International Journal of Materials Science and Applications、Nano and Medical Materials、Current Organocatalysis等期刊编委。主要从事CO₂资源化与能源化利用、VOCs/NOx脱除原理与关键技术、环境功能材料等方面研究。目前主持国家自然科学基金面上基金2项、地区基金2项、青年基金1项，科技部科技惠民计划、江西省重点研发计划重点项目、江西省自然科学基金重点项目等省部级课题9项。获国家技术发明二等奖1项（第5）、江西省技术发明一等奖1项（第4）、中华环保联合会杰出青年科技奖、中国发明协会发明创新二等奖（第1），在Energy Environ. Sci. Environ. Sci. Technol.、Coord. Chem. Rev.、Appl. Catal. B、ACS Catal.等国际期刊发表SCI论文110篇，SCI他引4358次，H指数41，入选2023、2024年度“全球前2%顶尖科学家榜单”。

许勇，博士、副教授、硕士生导师，博士毕业于中科院理化技术研究所。研究方向为CO₂光/光热催化还原的研究。目前主持国家自然科学基金、江西省自然科学基金多项。在Sci. Adv.、Appl. Catal. B、ACS Catal.、Chem. Eng. J.、J. Energy Chem.等国际期刊发表SCI论文30余篇，SCI他引1076次，H指数21。