华南理工大学ACS Catalysis： 构建疏水-亲水双相异质结，有效促进光催化CO2还原

利用太阳能将二氧化碳(CO₂)直接转化为高附加值的化学品是解决能源和环境危机最有前景的途径之一。然而，太阳能还原CO₂动力学缓慢，并且由于反应过程涉及多步质子偶合电子转移反应途径，需要较大的还原电位。因此，削弱竞争性水还原是提高CO₂转化效率和选择性的理论上可行的方法。同时，局部高CO₂浓度和良好的CO₂捕获能力对CO₂在光催化剂表面的扩散和吸附动力学至关重要。在竞争吸附中，CO₂分子处于不利地位，因为它们的吸附和活化受到亲水表面上富集的水分子的阻碍。

由于扩散和吸附动力学缓慢，CO₂供给速率低，导致转化率低，而光生电子的积累导致电荷快速复合。有研究表明，疏水表面不仅克服了CO₂的传质限制，增加了表面CO₂浓度，而且抑制了H₂O的吸附。此外，在光催化反应中，H₂O的氧化反应同样影响CO₂的转化效率，因此水的氧化问题同样值得注意。

近日，华南理工大学彭新文课题组提出了一种解决CO₂和H₂O之间竞争吸附问题的策略。具体而言，受磷脂的启发，研究人员将疏水性Bi₂WO₆与亲水性C₃N₄偶联，形成了一个两亲性异质结。与传统异质结相比，疏水-亲水双相异质结不仅抑制了电荷载流子的复合，更重要的是促进了CO₂和H₂O的吸附和传质，提高了反应速率。

实验结果表明，在光照下，最优的BWO-CN-100(BWO-CN)的CO和CH₄产率分别为25.54和7.69 μmol h^-1 g^-1，远高于纯的BWO(4.82和0.8 μmol h^-1 g^-1)和CN(1.43和0.2 μmol h^-1 g^-1)；并且，在365 nm处，BWO-CN的表观量子产率(AQY)高达3.3%。此外，BWO-CN还表现出优异的循环稳定性，其在20小时内产物(CO，CH₄和O₂)的产率轻微下降，反应后材料的结构和形貌变化不大。

原位光谱表征揭示了两亲性异质结的光催化CO₂还原机理：H₂O在亲水表面的吸附比CO₂更有利，导致亲水表面的CO₂浓度较低；相反，疏水表面促进了CO₂的富集。BWO-CN选择性地控制了疏水-亲水两相中CO₂和H₂O的吸附，从而为连续的光催化氧化还原反应提供了强大的驱动力。

同时，II型异质结中合适的带隙位置产生了合适的电荷转移方向(电子从亲水性CN转移到疏水性BWO，空穴从BWO转移到CN)，因此，疏水性的BWO增强了对CO₂的吸附并接受光生电子进行CO₂还原，而亲水性的CN自发地吸附H₂O并产生空穴进行H₂O氧化。值得注意的是，还原和氧化反应位点的分离也极大地抑制了电子-空穴复合，进一步促进催化剂实现高效、稳定的光催化还原CO₂为CO和CH₄。

Engineering a hydrophobic–hydrophilic diphase in a Bi₂WO₆–C₃N₄ heterojunction for solar-powered CO₂ reduction. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c03983