彭峰教授ACB：具有非极性疏水表面的超薄Bi2WO6用于光催化CO2还原- 大数跨境

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彭峰教授ACB：具有非极性疏水表面的超薄Bi2WO6用于光催化CO2还原

科学材料站

2020-10-23

导读：该文章提出了具有非极性表面疏水性的Bi2WO6超薄纳米片。超薄特性，扩散距离短，有利于电荷分离。通过CTA+的非极性长碳链修饰催化剂能够形成疏水表面，促进了CO2的传质和吸附，同时抑制了H2O吸附。

文章信息

具有非极性疏水表面的超薄Bi2WO6用于光催化CO2还原

第一作者：刘运鹏

通讯作者：彭峰

单位：广州大学，华南理工大学

研究背景

随着化石燃料的急剧消耗和大气中二氧化碳的大量排放，全球能源危机的持续恶化和环境问题在世界上变得越来越严重。利用太阳能将将二氧化碳还原转化为燃料或其他高价值化学品，可以减少二氧化碳排放，实现二氧化碳资源化利用，将二氧化碳和水转化为碳基燃料的光催化研究一直受国内外广泛关注。

而在光催化中占主导地位的析氢反应(HER)是CO2还原反应(CO2RR)的竞争反应，导致碳产物的选择性较差。因此，提高CO2分子在催化剂上的吸附能力，有利于提高催化剂表面CO2的浓度和转移速率，进一步提高CO2RR，抑制HER。

为此，本研究以CTAB作为表面活性剂，成功地设计和制备了超薄的、且具有非极性表面疏水性的Bi2WO6光催化剂。该研究为实现光催化二氧化碳减排应用提供了新的方向。

文章简介

近日，广州大学彭峰教授在Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Enhanced photocatalytic CO2 reduction in H2O vapor by atomically thin Bi2WO6 nanosheets with hydrophobic and nonpolar surface”的文章。

该文章提出了具有非极性表面疏水性的Bi2WO6超薄纳米片。超薄特性，扩散距离短，有利于电荷分离。通过CTA+的非极性长碳链修饰催化剂能够形成疏水表面，促进了CO2的传质和吸附，同时抑制了H2O吸附。因此，所制备的光催化剂由于表面CO2浓度高，光生电子空穴复合率低，在不需要助催化剂的情况下，实现高效的CO2光催化转化。

本文要点

要点一：一步水热法制备得到具有疏水表面的超薄Bi2WO6纳米片

Br-离子的引入是导致超薄Bi2WO6纳米片形成的原因。Br-离子与Bi2WO6表面结合会造成表面悬垂键的形成，同时引起其表面带负电，能够抑制其团聚，从而形成超薄纳米片。因此，在CTAB辅助下可以得到超薄的Bi2WO6纳米片，其结构如下示意图所示。

同时，带正电荷的CTA+离子通过与Br-离子结合吸附在Bi2WO6表面(图h)。长碳链的带正电荷的CTA+离子会产生额外的表面排斥，进一步阻碍了Bi2WO6纳米片的堆积。此外，吸附在表面的CTA+离子暴露出非极性长碳链，导致Bi2WO6表面疏水。

要点二：高效的光催化CO2还原能力

图a显示，疏水表面Bi2WO6超薄纳米片（BWO-C2）具有高效的光催化CO2还原能力，其 CO产率为7.12 mmol g-1 h-1，是块体Bi2WO6光催化剂（BWO）的19倍。此外，与具有亲水表面的Bi2WO6超薄纳米片（BWO-K）相比，疏水催化剂的性能是亲水的4倍。对于CTAB辅助的Bi2WO6，表面被CTA+的非极性长碳链修饰，形成疏水表面。

催化剂表面对CO2和H2O的吸附具有竞争性。非极性疏水表面有利于非极性CO2分子的吸附，不利于极性H2O分子的吸附，因此导致CO2分子在催化剂表面的浓度高、扩散快，同时表面对CO2吸附位点增加，增强了CO2的还原。

相反，亲水表面更有利于极性H2O的吸附，主要表现为析氢反应。下图e为光催化CO2还原过程中Bi2WO6疏水性和亲水性表面上H2O和CO2分子的分布。

要点二：原位漫反射红外傅立叶变换光谱揭示催化机理

BWO-K，BWO-C2和BWO的BET比表面积分别为54.58、46.81 和16.86 m2 g-1，从下图b可以看出，BWO-C2和BWO-K对CO2的吸附容量明显比BWO大，这是由于比表面积更大，但相比BWO-K, 由于BWO-C2的非极性结构，其对CO2的吸附量更大。

利用原位漫反射红外傅立叶变换光谱(DRIFTS)研究了CO2在催化剂上的吸附浓度和活化过程，如图c, d所示，对于超薄疏水表面的Bi2WO6，在1706和1231 cm-1处有明显的峰，可以归因于表面酸式碳酸盐HCO3-物种。光催化过程中还检测到双齿碳酸盐(b-CO32-在1483和1270 cm-1处)和单齿碳酸盐(m-CO32-在1448、1402和1357 cm-1处)的形成。

重要的是，CO2-的形成意味着CO2通过CO2 + e- → CO2-的方式被激活，这是由于在疏水表面光电子可以轻易地转移到吸附的CO2上。相比之下，BWO-K和BWO的光谱中碳酸盐和酸式碳酸盐的信号变化要微弱得多，说明它们对CO2的转化能力较差。

反应过程中，H2O的倒峰强度在1648 cm-1处达到峰值，表明吸附的H2O有所减少；然而，吸附的HCO3-、CO32-和CO2-物种随时间增加。在Bi2WO6的疏水表面上，可以观察到2035 cm-1处CO线性吸附峰，该吸附对下一步生成CH4的反应至关重要。基于此，提出了图e所示的光催化CO2还原机理。

文章链接

“Enhanced photocatalytic CO2 reduction in H2O vapor by atomically thin Bi2WO6 nanosheets with hydrophobic and nonpolar surface”

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119630

通讯作者介绍

彭峰博士，教授。

1986-1993年在湖南大学学习获学士、硕士学位，1996年毕业华南理工大学工业催化专业获博士学位，1996-2018年在华南理工大学从事教学与科研工作，2018年调入广州大学化学化工学院，担任化工学科带头人，环境与能源催化团队负责人。2008年入选教育部新世纪优秀人才，目前任中国颗粒学会第七届理事会常务理事、副理事长。一直围绕能源、环境领域中重要的前沿科学问题，结合纳米科学与技术，开展催化基础研究与应用开发，形成了能源化工中有特色的纳米材料与应用催化方向，共主持科技部863计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省攻关计划、广州市攻关项目等20余项，在Angew Chem Ed Int, ACS Catal, ACS Nano, Nano Energy, J Catal, Appl Catal B, ChemSusChem, J Energy Chem等国内外有影响刊物上发表SCI论文300多篇；H因子54；主编 “工业催化剂设计与开发”专著一部；获得发明专利授权30件；获得教育部自然科学二等奖一项；2014-2019年连续6次入选爱思唯尔公布的中国高被引学者榜单。目前主要研究方向为纳米碳催化、光催化制氢、燃料电池中的催化与电催化化学转化。近期代表成果如下：

Regulating electron-hole separation to promote photocatalytic H2 evolution activity of nanoconfined Ru/MXene/TiO2 catalysts, ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c07089
Surface-structure sensitive chemical diffusivity and reactivity of CO adsorbates on noble metal electrocatalysts, Appl. Catal. B-Environ., 2021, 281, 119522. DOI: 10.1016/j.apcatb.2020.119522
Understanding of nitrogen fixation electro catalyzed by molybdenum-iron carbide through the experiment and theory, Nano Energy 2020, 68, 104374, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104374
Efficient electrochemical reduction of CO2 into CO promoted by sulfur vacancies, Nano Energy, 2019, 60, 43-51, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.024
2H- and 1T- mixed phase few-layer MoS2 as a superior to Pt co-catalyst coated on TiO2 nanorod arrays for photocatalytic hydrogen evolution. Appl. Catal. B-Environ., 2019, 241, 236-245, DOI: 10.1016/j.apcatb.2018.09.040