光催化是利用高度可持续的太阳能和地球上丰富的原料（如水、CO2 等）生产替代绿色能源的一种极具前景的技术。高效、稳定的光催化剂的合理设计和制备是光催化应用的关键，而其活性主要受电荷分离和转移的控制。
迄今为止，人们已经开发了多种策略，例如元素掺杂、缺陷工程、贵金属负载和异质结构建等，以改善电荷载流子分离。尤其是，Z 型异质结纳米复合材料的制备，主要集中在模拟自然光合作用时增强电荷分离和转移。然而，太阳能到燃料的转换效率仍然非常温和，无法与传统燃料生产技术竞争。
因此，需要先进的策略来设计和制造具有高效的 Z 型异质结纳米复合材料，以通过改善电荷分离和转移来提高效率。
有鉴于此，黑龙江大学井立强教授联合英国伦敦大学学院唐军旺教授和吉林大学白福全教授等人报道了一种新型的制造级联 Z 型异质结材料的通用策略：1）选择 g-C3N4 用于还原半反应 (PS I)，因为它具有固有的 2D 结构，易于实现 g-C3N4 纳米片 (CN) 的可控制造并最小化电荷载流子的扩散距离抑制电荷重组；2）选择2D-BiVO4 纳米片选择氧化半反应（PS II）。通过将 2D-BiVO4 纳米片 (BVNS) 与 CN 结合，实现了高效的 Z 型异质结。
图1. 为实现高效光催化而在可见光下进行光生电荷转移的级联 Z 异质结系统示意图
在此基础上，通过在 g-C3N4 上引入能量平台 (001)TiO2 来调节 Z 型电荷转移和分离，从而开发了一个独特的级联 Z 型异质结系统(T-CN/BVNS)，以实现高效的人工光合作用。研究成果以“Energy Platform for Directed Charge Transfer in the Cascade Z-Scheme Heterojunction: CO2 Photoreduction without a Cocatalyst”为题，发表在国际著名期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上。
要点一
在没有任何助催化剂的情况下，优化的5T-15CN/BVNS 异质结纳米复合材料对 CO2 光还原和纯水分解都表现出卓越的光催化活性。
与先进的 BiVO4 纳米片光催化剂相比， 5T-15CN/BVNS 异质结在没有任何助催化剂和昂贵的牺牲剂的情况下CO2 还原的性能提高了近 20 倍，甚至优于其他含贵金属的 Z 型异质结系统。同时，与可见光下的 15CN/BVNS 相比，5T-15CN/BVNS 异质结纳米复合材料的整体水分解光催化活性也提高了约 4 倍。
图2. 5T-15CN/BVNS 异质结纳米复合材料的 CO2 光还原和纯水分解性能
要点二
实验结果和理论计算证明，有效的能量平台对于指导 Z 型电荷转移和分离以实现高效光催化而不会显着降低还原和氧化电位至关重要。其中，引入的TiO2不仅可以延长空间分离电子的寿命，还可以保持较强的还原电位，从而有效地进行TiO2表面的还原反应。
要点三
此外，该策略也适用于促进其他 Z 型异质结（例如 C3N4/WO3 和 C3N4/Fe2O3）中的电荷转移，其他宽带隙半导体（例如 SnO2）也可用作替代电子-能源平台。
这项工作不仅证明了引入能量平台来促进 Z 型电荷转移，而且还为合成级联 Z 型异质结以实现高效的太阳能到燃料的转换铺平了道路。
Ji Bian, et al, Energy Platform for Directed Charge Transfer in the Cascade Z-Scheme Heterojunction: CO2 Photoreduction without a Cocatalyst, Angew. Chem. Int. Ed., 2021. DOI: 10.1002/anie.202106929. https://doi.org/10.1002/anie.202106929
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