吉林大学佘萍团队AFM: 中空结构Z型异质结的快速电荷转移用于耦合苄胺氧化与CO2还原

第一作者：唐晨溪

通讯作者：佘萍*

单位：吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室

在光催化领域，界面超快电子转移是影响光催化活性的关键因素。本文通过构建CoSe@Zn0.5Cd0.5S（CoSe@ZCS）的Z型异质结来实现超快载流子传输，该异质结是通过在ZIF-67衍生的空心CoSe上原位生长ZCS制备的。通过先进的飞秒瞬态吸收光谱验证了Z型异质结界面处的超快电荷转移，为光催化电荷转移的具体机制提供了重要证据。此外，通过原位FTIR光谱检测到关键中间体（*COOH和C═N）的存在，进一步阐明了苄胺氧化与CO₂光转化耦合的机理。DFT计算还证实Z型异质结有效降低了*COOH形成限速步骤的能垒，促进了ZCS的光催化CO₂还原过程。得益于Z型异质结界面的超快电子转移，CoSe@ZCS表现出优异的双功能光催化性能。这项工作为进一步探索异质结界面的电荷转移模式以促进太阳能驱动的能量转换奠定了基础。

近日，来自吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室的佘萍团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Rapid Charge Transfer Endowed by Hollow-structured Z-Scheme Heterojunction for Coupling Benzylamine Oxidation With CO₂Reduction”的观点文章。该观点文章通过构建CoSe@Zn_0.5Cd_0.5S（CoSe@ZCS）的Z型异质结来实现超快载流子传输用于光催化苄胺氧化偶联CO₂还原，为进一步探索异质结界面的电荷转移模式以促进太阳能驱动的能量转换奠定了基础。

通过先进的飞秒瞬态光谱技术探究CoSe@ZCS空心结构Z型异质结中激发态的实时动力学。与ZCS相比，CoSe@ZCS的正吸收和负吸收均变宽，这是由于CoSe@ZCS的Z型异质结增加了光活性载流子的数量。通过用三重指数函数拟合衰减曲线探究了470nm处载流子的衰减动力学。值得注意的是，中间衰减分量（τ2）在CoSe@ZCS中占比较大（43%），其带隙激子湮没寿命为232.00 ps，约为ZCS（400.80 ps）的一半。如此大的衰减寿命表明，激发态下的大部分电子从光激发ZCS迅速转移到CoSe。

综上所述，我们开发了中空结构Z型CoSe@ZCS异质结，其具有快速光生电荷转移能力，可通过苄胺氧化与CO₂光转化耦合以实现双功能太阳能燃料生产。Z型异质结的构建可以提高光生电子-空穴的分离效率，同时保留强氧化能力。因此，Z型结构的CoSe@ZCS表现出优异的光催化性能。此外，这项工作通过飞秒瞬态吸收光谱验证了CoSe@ZCS的Z型载流子传输机制。通过计算的电荷密度差分布和电子局域分布图像进一步分析了CoSe@ZCS中电子转移的动力学。Z型异质结的构建还降低了PCR过程的吉布斯自由能。本文的研究对开发用于太阳能燃料的生产具有巨大潜力。

佘萍：吉林大学化学学院助理教授。2014年获得吉林大学学士学位，2018年获得吉林大学博士学位，2018年入选“中国博士后创新人才支持计划”，师从于吉红院士，2018年至2021年在吉林大学化学学院完成了博士后工作，2021年三月留校工作。主要研究方向包括无机多孔纳米材料催化；半导体光催化（包括水裂解产氢、二氧化碳还原、人工固氮等）；光/电/热能源催化。迄今为止，在Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B-Environ. Energy, Coordin. Chem. Rev., Small, Chem. Eng. J., J. Colloid Interf. Sci., and Appl. Surf. Sci.等学术刊物上发表五十余篇。入选2017 年中国科协优秀中外青年交流计划，吉林省青年成长科技计划，高校优秀青年科研创新人才储备库-优秀科技创新人才，吉林省自然科学二等奖，以及吉林省高层次D类人才。

唐晨溪：吉林大学化学学院佘萍课题组博士研究生。2019年至2022年于黑龙江大学化学化工与材料学院获得化学工程与技术硕士学位，师从白雪峰研究员。2022年9月被录取为吉林大学化学学院物理化学专业博士研究生，师从佘萍助理教授。目前的研究重点是无机半导体的光催化（包括水裂解制氢、二氧化碳还原、人工固氮等）。迄今为止，以第一/共一作者在Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B-Environ. Energy, Small, Chem. Eng. J., Fuel, and Colloid. Surface. A等学术刊物上发表多篇论文。