李长明/胡俊蝶Small：环境稳定型2D/2D Co2P@BP/g-C3N4异质结实现高效高选择性太阳能驱动CO2转化

邃瞳科学云

2021-12-22

导读：本文构建了一种环境稳定型二维/二维磷化钴@黑磷/石墨相氮化碳（2D/2D Co2P@BP/g-C3N4）光催化剂用于光催化还原CO2，实现了CO2向一氧化碳（CO）的高效转化

文章信息

环境稳定型2D/2D Co2P@BP/g-C3N4异质结实现高效高选择性太阳能驱动CO2转化

第一作者：胡俊蝶，阳婷玉

通讯作者：胡俊蝶*，李长明*

单位：苏州科技大学

研究背景

利用太阳能驱动温室气体二氧化碳（CO₂）转化为高价值燃料是同时解决“环境”和“能源”两大难题的策略之一，是实现“碳达峰”与“碳中和”目标的有效策略。然而，由于CO₂的化学惰性以及产物多样性，限制了光催化技术的应用。因此，选择合适的半导体材料，实现高效高选择性的光催化CO₂转化是一种可行策略。

文章简介

基于此，苏州科技大学李长明教授、胡俊蝶副教授团队，在国际知名期刊Small上发表题为“Highly Selective and Efficient Solar-Light-Driven CO₂ Conversion with an Ambient-Stable 2D/2D Co₂P@BP/g-C₃N₄Heterojunction”的观点文章。

该课题组构建了一种环境稳定型二维/二维磷化钴@黑磷/石墨相氮化碳（2D/2D Co₂P@BP/g-C₃N₄）光催化剂用于光催化还原CO₂，实现了CO2向一氧化碳（CO）的高效转化，如图1所示。此工作为光催化还原CO₂技术提供了一种环境稳定、高效和高选择性的光催化剂，为光催化还原CO₂提供了巨大的应用前景。

图1. Co₂P@BP/g-C₃N₄异质结的构建及其光催化选择性还原CO₂为CO的示意图

本文要点

要点一：Co₂P@BP/g-C₃N₄异质结结构

实验结果表明，通过静电自组装成功构筑2D/2D Co₂P@BP/g-C₃N₄异质结。通过Co-P键，高结晶性磷化钴（Co₂P）纳米颗粒均匀地分散在BP纳米片表面，提高了黑磷（BP）的环境稳定性，以及光催化还原CO₂为CO的选择性。

图2. (a) BP、g-C₃N₄和Co2P@BP材料的Zeta电位图。(b) BP材料的透射电子显微镜图。(c) BP材料的原子力显微镜图。(d) BP材料的拉曼图谱。透射电子显微镜图：(e) Co₂P@BP材料（插图为Co2P纳米颗粒的粒径分布图），(f) Co₂P@BP材料的高分辨透射电子显微镜图，(g) Co2P@BP/g-C3N4材料和 (h) Co2P@BP/g-C3N4材料的高分辨透射电子显微镜图。X射线能谱分析图：(i) Co2P@BP/g-C3N4材料的扫描透射图，(j-n) Co2P@BP/g-C3N4材料的mapping图，(k) Co，(l) P，(m) C，(n) N。

图3. X-射线光电子能谱：(a) Co2P@BP、g-C3N4和Co2P@BP/g-C3N4材料的全谱分析。高分辨X-射线光电子能谱分析：(b) N 1s，(c) P 2p和 (d) Co 2p

要点二：Co2P@BP/g-C3N4异质结光学性质及光电化学性质表征

BP能够有效拓宽g-C3N4材料的可见光吸收强度以及可见光吸收范围，除此之外还可以促进g-C3N4材料的光生载流子的分离和迁移效率，抑制光生载流子的重组，从而提高了光催化活性。

图4. (a) X-射线衍射图谱, (b) 固体紫外可见光吸收光谱，(c) 稳态荧光和 (d) 时间分辨光致发光光谱

图5. (a) 瞬态光电流对比图，(b) 电化学阻抗对比图

要点三：Co2P@BP/g-C3N4异质结的光催化性能

Co2P@BP/g-C3N4异质结表现出优异的光催化CO2还原的活性及选择性，CO产率高达16.21 μmol g^-1 h^-1，光催化CO2转化为CO的选择性高达96%，此外Co2P的修饰实现了BP在环境中较高的稳定性。

图6. 不同催化剂光催化性能：(a) 光催化CO的产量，(b) 光催化CH4的产量，(c) 光催化CO和CH4的产率，(d) 光催化CO和CH4的选择性，(e) 光催化CO2的转化率和 (f) 光催化循环稳定性试验

要点四：反应机理探究

通过理论计算，证实了Co2P@BP/g-C3N4异质结在CO2还原过程中具有较低的*COOH、*CO和*+CO能垒，同时在BP/g-C3N4和Co2P/BP异质界面上具有快速的电荷转移，解释了Co2P@BP/g-C3N4材料优异的光催化活性和对CO的高选择性的原因。

图7. 催化剂光催化还原CO2的反应机理探究：(a-d) Co2P@BP、g-C3N4和Co2P@BP/g-C3N4材料还原CO2的反应步骤及反应能垒。(e-f) BP/g-C3N4和Co2P/BP界面的电荷密度差

文章链接

Highly Selective and Efficient Solar-Light-Driven CO2 Conversion with an Ambient-Stable 2D/2D Co2P@BP/g-C3N4 Heterojunction

https://doi.org/10.1002/smll.202105376

通讯作者简介

李长明教授

欧洲科学院院士、俄罗斯工程院外籍院士、美国医学与生物工程院院士，现苏州科技大学材料科学与工程学院院长。主要研究兴趣包括功能材料（能源、生物）、清洁能源（锂电池，燃料电池，氢能源，超级电容器，太阳能电池等）、生物传感与芯片。已发表700多篇 SCI 顶尖论文，美国和中国等专利280多项，国际/国内学术大会主题或邀请报告200多次，SCI总引用37,000多次，H因子92。2014年来连续荣获汤森路透全球材料科学精英，科睿唯安全球交叉学科和爱思唯尔全球材料高被引科学家。

胡俊蝶副教授

江苏省“双创博士”，苏州科技大学材料科学与工程学院副教授，2019年博士毕业于苏州大学材料与化学化工学部。研究兴趣为新型纳米复合材料在新能源及环境修复领域的应用，包括光催化技术在分解水制H2/O2、CO2还原、H2O2原位制备、废气/废水治理等方向的研究。迄今以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ., Nano energy, Chem. Eng. J., Small, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上发表高质量SCI论文20余篇；总被引800余次；主持/完成科研项目6项；申请/授权国家发明专利13项。

课题组介绍

详细信息见课题组主页：

http://clxy.usts.edu.cn/info/1112/1042.htm

http://clxy.usts.edu.cn/info/1113/1438.htm

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