贺涛研究员/王艳杰博士ACB：含Se缺陷的Z型异质结ZnSe/CdSe高效光催化还原CO2- 大数跨境

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贺涛研究员/王艳杰博士ACB：含Se缺陷的Z型异质结ZnSe/CdSe高效光催化还原CO2

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2021-01-20

导读：本篇工作构筑了具有高效电荷分离、宽光谱响应以及有效CO2吸附活化的光催化剂体系。

文章信息

含Se缺陷的Z型异质结ZnSe/CdSe可见光催化还原CO2

第一作者：李东阳，Sajjad Hussain

通讯作者：王艳杰*，贺涛*

单位：国家纳米科学中心，中国科学院大学

文章信息

将CO2光催化还原为燃料和增值化学品（如CO，CH4，CH3OH等）是同时实现太阳能储存和CO2转化利用的有效途径。其中高性能催化材料体系的构建尤为重要。虽然目前各类光催化剂的设计与制备已经取得了较大进展，CO2还原的性能仍不能满足实际应用。

典型的光催化转化过程包括光捕集、光生载流子的分离/迁移以及表面反应，因此，基于以上过程探索材料体系，通过构建异质结、掺杂、缺陷等途径精准设计和制备催化剂，是提高催化转化效率的通用策略。

ZnSe是一种直接带隙半导体，具有较负的导带位置（-1.1 V vs NHE），适于光解水产氢和CO2还原等光催化领域。然而，单一的ZnSe光催化剂，其光谱响应范围较窄（Eg=2.7 eV)、光生电子空穴复合快、光催化还原CO2性能低下。因此，作者考虑通过构筑异质结解决以上问题，设计制备高性能的ZnSe基复合光催化剂，同时研究相关机制，对光催化的基础研究和应用具有重要的意义。

文章简介

近日，来自国家纳米科学中心的贺涛研究员、王艳杰博士等，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“ZnSe/CdSe Z-scheme composites with Se vacancy for efficient photocatalytic CO2 reduction”的文章。

本篇工作构筑了具有高效电荷分离、宽光谱响应以及有效CO2吸附活化的光催化剂体系。作者通过将ZnSe与窄带CdSe复合，构建了含Se缺陷的Z型异质结ZnSe/CdSe，实现了高效高选择性地光催化还原CO2生成CO。

基于实验表征和密度泛函（DFT）理论计算，这项工作系统研究了ZnSe/CdSe异质结表现出高催化性能的原因，该研究可为复合材料高效光催化剂的设计和机理研究提供参考和思路。

本文要点

要点一：材料制备

采用水热法合成了直径约为200 nm的ZnSe多面体，由于ZnSe和CdSe同为立方结构，晶格参数适配度高，以溶度积差为驱动力，采用离子交换法在ZnSe颗粒表面原位化学外延生长了CdSe，得到了高质量的ZnSe/CdSe异质结，同时在ZnSe表面构筑了Se空位。

图1. ZnSe/CdSe颗粒的电镜表征图和ESR结果。

要点二：优异的光催化还原CO2性能

可见光光催化还原CO2实验中，ZnSe/CdSe优化体系CO产率为116.9 μmol g-1，达到了单体ZnSe的33.4倍(3.5 μmol g-1)。

图2 光照6 h的光催化还原CO2性能

要点三：实验表征与理论计算揭示Z型电荷转移机制及Se空位促进CO2吸附

1 借助DMPO自旋捕获ESR光谱和电荷密度计算发现，在ZnSe/CdSe异质结界面处，光生电荷遵循Z型转移机制，既可以促进光生电子空穴的有效分离和迁移，又能保证具有强氧化还原能力的电子空穴对参与反应；

图3. DMPO-∙O2-的ESR信号和ZnSe/CdSe体系的电荷密度计算结果

2 吸附能计算和CO2吸附实验表明，Se空位是CO2分子的活性吸附位点，有利于提高体系对CO2的吸附活化能力，促进CO2还原反应。

要点四：总结

高效光催化体系的建立通常需要综合考虑光生电子空穴的产生、利用以及材料表面的反应过程，本篇工作在设计材料和研究机理时，系统分析并优化了以上过程，极大提高了ZnSe/CdSe催化剂的性能，使其达到了最优的CO2还原活性，为光催化剂的设计与优化提供了思路。

文章链接

ZnSe/CdSe Z-scheme composites with Se vacancy for efficient photocatalytic CO2 reduction

https://authors.elsevier.com/sd/article/S0926-3373(21)00013-8

课题组介绍

贺涛研究员课题组长期致力于能源与环境纳米催化的研究，特别是半导体纳米催化剂的精准制备与二氧化碳催化还原，通过调控纳米催化剂的形貌、晶面、缺陷、以及掺杂、构筑异质结、与具有表面等离激元效应的贵金属纳米颗粒或分子催化剂结合等，深入系统研究光电催化反应机理，以最终实现绿色和可持续的高效高选择性二氧化碳催化转化。