预先光照通过光催化记忆效应在二维超薄BiOBr纳米片中产生稳定的氧空位，从而增强其CO2还原性能

第一作者：芦丽珍

通讯作者：李琦*

单位：西南交通大学

缺陷工程是提高各种光催化材料光催化效率的有效途径。对于氧化物基光催化材料，氧空位的引入促进了载流子的分离和转移，从而提高了其性能。然而，氧空位的产生通常需要在缺氧气氛下进行高温处理、与还原剂反应或进行金属离子掺杂，其过程复杂、耗能。因此，需要开发操作简单、成本低、稳定性长、有利于长时间光催化反应且在实际应用中性能稳定的新方法来引入氧空位。近年来，在多种光催化材料体系中发现了一种有趣的光催化记忆效应，这种效应赋予了它们在光源关闭后也能在一段时间内保持活性的能力。在这些光催化材料体系中，部分光生电子可以在照射下储存，光照关闭后通过逐渐释放生成自由基，在黑暗中也能保持其活性。这种有趣的光催化记忆效应可以引起光催化材料内部电子结构的变化，从而引起光催化材料的各种性质变化，可能增强其光催化活性，然而目前这方面的研究工作还鲜有报道。

近日，西南交通大学李琦教授课题组在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表了题为“Creation of robust oxygen vacancies in 2D ultrathin BiOBr nanosheets by irradiation through photocatalytic memory effect for enhanced CO₂ reduction”的研究论文。在这项工作中，他们开发了一种表面活性剂辅助水热工艺，制备出二维超薄BiOBr纳米片。研究发现，这些BiOBr纳米片具有光催化记忆效应，光生电子可以在该材料体系中被Bi³⁺和Br^-捕获；由于电荷平衡的要求，氧空位（Ov）在这些BiOBr纳米片中会自发产生。因此，光催化记忆效应改变了BiOBr纳米片的内部电子结构，从而对其光学性能、能带结构、压电响应和载流子分离等方面都产生了积极影响。同时，由于氧空位的产生，BiOBr纳米片对CO₂的吸附和活化也得到了增强。因此，经预先光照的BiOBr纳米片的光催化、压电催化与光压协同催化还原CO₂的性能都得到了增强。由于光催化记忆效应所具有的长期电子俘获现象，这些氧空位具有很高的稳定性，在光催化过程中能长期保持，从而使其催化还原CO₂的性能能够在反复使用中保持稳定。这种通过光催化记忆效应改变光催化材料内部电子结构，在光催化材料中产生氧空位的方法操作简单，成本低，所产生的氧空位稳定性高，在类似的光催化材料中有望获得广泛应用。

以Bi(NO3)3⋅5H2O和NaBr为前驱体，PVP (k30)和甘露醇为共同配体，采用简单、稳定的水热法制备了BiOBr纳米片。

研究发现，这些BiOBr纳米片具有有趣的光催化记忆效应，光生成的电子可以在该材料体系中被Bi³⁺和Br^-捕获。由于电荷平衡的要求，从而在这些BiOBr纳米片中产生氧空位(Ov)。由于光催化记忆效应所产生的长期电子俘获现象，使得这些氧空位相当稳定，在光催化过程中能长期保持。

通过光催化记忆效应，预先的可见光照射改变了这些BiOBr纳米片的内部电子结构，使得这些BiOBr纳米片具有更宽的可见光吸收、更负的导带值、更强的压电响应、更好的电荷载流子分离和转移，以及增强的CO₂吸附和活化。

要点三中的变化都有利于CO₂的催化还原。这些经预先光照的BiOBr纳米片在光催化、压电催化和光压协同催化方面分别表现出比没有预先光照的BiOBr纳米片更强的CO₂还原性能。在不需要任何辅助催化剂或牺牲剂的情况下，预先光照后的BiOBr纳米片在可见光照射下可以有效地将CO₂还原为CO，其产物选择性达～100%，光压协同还原CO₂的CO产率达到~ 250 μmol g^-1h⁻¹。本工作展示了光催化记忆效应如何通过影响光催化材料的内部电子结构从而影响其一系列性质，发展出一种通过光催化记忆效应在光催化材料中产生氧空位的方法，具有操作简单、成本低、所产生的氧空位稳定性高的优势，有望在类似的光催化材料中获得广泛应用，从而能够进一步提高它们的性能，并可能获得新的功能与应用。

Creation of robust oxygen vacancies in 2D ultrathin BiOBr nanosheets by irradiation through photocatalytic memory effect for enhanced CO₂ reduction

李琦 教 授简介：李琦，博士、教授、博士生导师，英国皇家化学会会士（FRSC），四川省特聘专家，现任西南交通大学材料科学与工程学院副院长、材料先进技术教育部重点实验室副主任。主要从事环境修复型功能材料研究，研究领域包括光催化环境净化材料与技术、重金属离子去除材料与技术、能源环境催化材料、二氧化碳转化材料、新型可降解塑料、海水淡化技术、以及3D/4D打印与超材料等。已主持国家自然科学基金面上项目、973协作课题、省部级项目、企业技术开发项目等二十余项；已在国际材料、环境领域重要专业学术期刊发表研究论文140余篇，入选ESI高被引论文6篇，总引用数超过6000次，H-index 43；编写英文专著章节1部；申请美国发明专利6项（已获授权5项）、中国发明专利74项（已获授权41项）。多项研究成果已进入实际应用，取得了很好的经济效益与社会效益。

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