地大Nature子刊：In2O3/Nb2O5界面上超快电子转移，促进CO2光还原

利用太阳光将CO₂转化为有价值的燃料已经成为一个有前途的策略。然而，由于C=O键(750 kJ mol^-1)的高解离能，光还原的有效性受到催化剂上CO₂分子的化学吸附和活化的限制。因此，开发能够活化CO₂的先进光催化剂已经成为CO₂还原领域的关键问题。五氧化二铌(Nb₂O₅)是一种无毒的固体氧化物，具有高导带(CB)位置和强大的还原能力，最近在光催化领域引起了广泛关注。

密度泛函理论(DFT)计算表明，吸附在Nb₂O₅上的CO₂分子与自由分子相比，在键长和角度上都发生了变化。此外，CO₂的两个氧原子可以与Nb₂O₅的Nb原子形成化学键，这有助于激活稳定的CO₂分子。然而，由于电子/空穴分离和电荷转移动力学缓慢，Nb₂O₅表现出较差的光催化性能。因此，目前迫切需要开发能够激活CO₂、促进电荷载流子分离/转移动力学的Nb₂O₅基异质结，但这仍然是一项具有挑战性的工作。

近日，中国地质大学(武汉)余家国和徐飞燕等通过将Nb₂O₅与氧化铟(In₂O₃)偶联，设计了一种具有窄禁带(2.9 eV)和可见光吸收的S型氧化光催化剂(In₂O₃/Nb₂O₅)。通过在同一静电纺丝溶液中混合两相前驱体，高温煅烧过程中同时生成In₂O₃和Nb₂O₅。这种“一锅法”制备方法确保了最大的相接触，促进了In₂O₃和Nb₂O₅之间的界面电荷转移。

基于原位光谱表征和理论计算，In₂O₃/Nb₂O₅ S型异质结在CO₂还原中的增强光催化性能可归因于以下几个关键因素：1.In₂O₃与Nb₂O₅之间的紧密相互作用；2.S型异质结界面上的超快光电子转移；3.Nb₂O₅ CB中的强光电子与In₂O₃ VB中的光生空穴的有效分离；4.纳米杂化体中电荷载体的寿命延长以及5.Nb₂O₅上有效的CO₂化学吸附和活化。

因此，在光照下，In₂O₃/Nb₂O₅光催化剂在没有任何分子共催化剂或清除剂的情况下的CO产率高达0.21 mmol g_{active sites}^–1 h^–1；加入分子共催化剂或清除剂后，CO产率为109.6 mmol g_{active sites}^–1 h^–1，同时也有少量的H₂产生，产率为3.5 mmol g_{active sites}^–1 h^–1。此外，In₂O₃/Nb₂O₅在四个循环中的CO产量的下降可以忽略不计，光反应后催化剂的结构与反应前相比未发生明显变化，表明In₂O₃/Nb₂O₅异质结具有优异的CO₂光还原稳定性。

总的来说，该项工作揭示了S型异质结界面上超快电荷转移的机制，为异质结光催化剂的发展提供了指导，并拓宽了它们在人工光合作用中的潜在应用。

Ultrafast electron transfer at the In₂O₃/Nb₂O₅ S-scheme interface for CO₂ photoreduction. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-49004-7

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地大Nature子刊：In2O3/Nb2O5界面上超快电子转移，促进CO2光还原

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