Adv Mater：二维横向异质结构实现可见光驱动CO2光还原- 大数跨境

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Adv Mater：二维横向异质结构实现可见光驱动CO2光还原

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2020-11-05

导读：该工作利用纳米贵金属颗粒和水在超声作用下进行横向非均匀刻蚀制备了BiOCl@Bi2O3二维材料。得益于横向异质界面化学键合所产生的强本征电场，BiOCl@Bi2O3具有优异的电荷分离和迁移性能，此外，

文章信息

促进二维外延外延异质结构中的光电荷分离，实现可见光驱动的CO2光还原

第一作者：王丽

通讯作者：王丽, 杜轶, 孙春义

单位：澳大利亚伍伦贡大学，东北师范大学，德国慕尼黑大学

研究背景

太阳能是一种绿色的可再生能源，它可以通过太阳能电池转化为电能，也可以通过光催化分解水制氢和光催化CO2还原来制备CO、CH4，利用太阳能被认为是满足全球不断增长的能源需求的一种有前途的战略。典型的太阳能转换过程包括太阳能集光和光激发电荷载流子分离/传输，因此,探索合适的材料来构建异质结构，是提高太阳能转换效率的一个有效和简便的策略。

目前光载流子复合仍然是提高太阳能转换效率的一大障碍。对于二维材料，异质结构的构建是通过异质界面内电场促进光激载流子分离的有效策略。然而，由于很难找到合适晶格失配的两组分，目前的二维异质结多为垂直异质结，对二维横向异质结的研究比较有限。

文章简介

近日，澳大利亚伍伦贡大学杜轶，东北师范大学孙春义老师，德国慕尼黑大学王丽在国际顶级期刊Advanced Materials (影响因子：27.398) 上发表题为“Promoted Photocharge Separation in 2D Lateral Epitaxial Heterostructure for Visible‐Light‐Driven CO2 Photoreduction”的研究工作。

该工作利用纳米贵金属颗粒和水在超声作用下进行横向非均匀刻蚀制备了BiOCl@Bi2O3二维材料。得益于横向异质界面化学键合所产生的强本征电场，BiOCl@Bi2O3具有优异的电荷分离和迁移性能，此外，Bi2O3可以利用可见光。

由于这些多重优点，BiOCl @Bi2O3的CO2光还原特性在很大程度上得到增强。这种制备横向异质结构的简便方法为制备其它二维横向异质结构铺平了道路，从而促进了它们在电子器件、储能、转换等领域的进一步应用。

本文要点

要点一： 利用银和水分子在超声作用下，通过刻蚀BiOCl的边缘卤素离子，原位制备了具有横向外延异质结构的BiOCl @Bi2O3。实验证明，BiOCl @Bi2O3不仅可以利用BiOCl和Bi2O3在太阳吸收方面的优势，而且可以通过横向异质结产生的内部驱动力使光生载流子分离。

要点二： 结果显示，BiOCl@Bi2O3异质结具有优异的CO2光还原性能，可见光驱动下CO的产率约为30 µmol g−1 h−1。该横向外延异质结制备策略有望为制备其他用于光电子器件、能量转换和存储领域的二维横向异质结提供一定指导。

第一作者专访

1，该研究的设计思路和灵感来源

异质结材料在光伏器件，能源存储与转换等方面具有极大的应用。异质结材料包括垂直异质结和平面异质结两种结构。垂直异质结结构非常容易制备，而平面异质结结构因其需要克服两种材料的晶格匹配问题而较难制备。平面异质结结构中，两种材料之间以化学键形式相连，因此，两种材料之间的相互作用力及内建电场较强，异质结界面处光生载流子更容易分离，因而平面异质结结构在太阳能存储与转化方面具有巨大的应用前景。

BiOCl是一种典型的二维材料，氯离子层夹在两层[Bi2O2]2+之间，氯离子层与[Bi2O2]2+层之间以范德瓦尔斯力键连，这种弱的层间相互作用力很容易被破坏。因此BiOCl中[Bi2O2]2+层间的氯离子存在被外力诱导刻蚀掉的可能性。

在之前的工作中（Nano Energy, 2019, 57, 398-404），我们发现Ag纳米颗粒在水分子的诱导下，容易被吸附至BiOCl的侧面，并经证实与侧面氯离子之间存在相互作用力。因此我们猜测Ag纳米离子与水分子的协同作用有可能能够刻蚀掉BiOCl侧面的氯离子。BiOCl材料侧面的氯离子被刻蚀掉以后，BiOCl二维纳米片的边缘可以形成Bi2O3,从而可以非常容易地原位制备BiOCl-Bi2O3平面异质结结构。

2，该实验难点有哪些？

1）材料的制备：Ag纳米离子和水分子的量对BiOCl侧面氯离子的刻蚀具有重要影响。在我们的工作中，我们做了大量对比实验，最终确定能够制备BiOCl-Bi2O3平面异质结结构的Ag纳米离子及水分子的用量，此外我们发现材料制备过程中，超声辅助比磁力搅拌更容易制备BiOCl-Bi2O3平面异质结结构。

2）平面异质结结构优异性的表征：我们通过理论计算，证实BiOCl-Bi2O3之间以化学键相连，通过瞬态光谱证明这种相互作用可以促使光生电荷分离。

3，该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？

1）现有报道的平面异质结结构非常少，并且主要集中在非常有限的几种材料上，如WS2/MoS2，graphen/h-BN等。在我们的工作中，我们报道了一种新的平面异质结结构BiOCl-Bi2O3，这种平面异质结结构是通过刻蚀掉BiOCl边缘的Cl离子，原位制备得到，制备方式非常简单。

2）BiOCl-Bi2O3的制备方法具有普适性。对于层状二维材料，层间以弱范德瓦尔斯力相连，原则上都可以通过寻找到合适的方法刻蚀掉原材料中一部分某种元素而原位制备平面异质结结构。BiOCl-Bi2O3平面异质结的制备，开辟了一种新的材料制备方法，可以广泛应用于探索太阳能转化与存储领域的新材料，对于提高太阳能的利用率具有非常重要的意义。

文章链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004311

Promoted Photocharge Separation in 2D Lateral Epitaxial Heterostructure for Visible‐Light‐Driven CO2 Photoreduction

通讯作者介绍

杜轶，澳洲伍伦贡大学-北京航空航天大学联合实验室教授

主要从事二维材料的能源利用，新型二维材料的生长、物性和新奇量子效应的研究，目前已在Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等期刊上发表论文200余篇，累计他引4000余次，H-index 38.

研究方向：二维材料、表面物理与化学、STM、催化

孙春义，东北师范大学，化学学院，副教授

主要从事金属氧簇多孔材料的设计、合成及其作为载体材料在生物医药学、固态照明以及光电催化等领域的应用研究。目前在Nat. Commun.，Adv. Mater.，Chem. Sci.等国际著名杂志发表SCI研究论文20余篇，累计他引1200余次，第一/通讯作者论文单篇引用最高200余次，单篇引用超100次论文5篇，ESI高被引论文3篇。

研究方向：多孔材料、光电催化、生物医药、传感

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备注【姓名-机构-研究方向】

致谢

感谢本文作者对该报道的大力支持。