近日，化材学院柏嵩课题组在开发新型s型异质结co2还原光催化剂的研究中取得进展，相关成果分别以“efficient charge and proton balance enabled by a 2d/2d s-scheme heterojunction with a nanochamber design for better synergy of photocatalytic co2 methanation and benzylamine oxidation”和“upgrading single s-scheme heterojunction to multi-s-scheme ones for better synergy of photocatalytic co2 reduction and h2o oxidation: the third component location matters”为题发表在advanced functional materials和acs catalysis上。
光催化co2还原与氧化相结合的偶联反应体系为充分利用光生电子和空穴制备精细化学品和丰富能源供应提供了一种有效途径。然而，该体系的效率受到了电荷转移/利用不平衡和质子供给/消耗不平衡的限制。为了解决这些问题，该研究工作报道了一种具有纳米空腔结构的2d/2d无机/有机s型异质结光催化剂。该bioi@锌卟啉共轭聚合物催化剂生成ch4和n-亚苄基苄胺的速率分别为2300.3和577.1 μmol gcat-1 h-1，二者的选择性均超过96%。在该催化剂中，锌与卟啉的配位不仅增强了异质结中的内电场和共聚物中的分子内极化电场，还促进了co2的吸附/活化，降低了co2甲烷化的能垒，同时改善了电荷传输/分离动力学和表面反应动力学。此外，中空腔体的存在增加了光子和载流子的利用率，协调了质子的释放和消耗，促进了苯甲胺的c-n偶联，同时抑制了n-亚苄基苄胺向二苄胺的转化。该研究强调了在质子耦合电子转移反应中同时实现电荷和质子平衡的重要性。
浙江师范大学化学与材料科学学院硕士研究生张艳（已录取为华中师范大学博士研究生）为论文第一作者，柏嵩副教授为论文唯一通讯作者，浙江师范大学为论文唯一完成单位。
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光催化co2还原耦合h2o氧化生产绿色燃料的人工光合成为解决温室效应和能源危机提供了一种潜在的解决方案。s型异质结光催化剂因其较宽的光吸收范围和较强的氧化还原能力有望在该领域发挥重要作用。特别是，通过引入新组分，将单一s型异质结升级为多s型异质结，为同时优化电荷传输动力学和表面反应动力学提供了一种有效的方法。然而，这一策略面临的挑战是难以控制第三组分的沉积位置。针对这一挑战，该研究工作提出了一种新的组分定向生长策略，将znin2s4定点沉积到单一s型in2o3/cds异质结的不同位置，构建了具有不同电荷转移路径的双s型和三s型异质结光催化剂，并深入探讨了znin2s4空间位置影响in2o3/cds/znin2s4异质结在co2还原/h2o氧化全反应中光催化性能的内在机理。本研究为多组分s型异质结光催化剂的合理设计提供了一定的理论参考。
浙江师范大学化学与材料科学学院硕士研究生曹凤莹和地理与环境科学学院硕士研究生张醒威为论文的共同第一作者，化学与材料科学学院柏嵩副教授、赵雷洪教授和地理与环境科学学院仲淑贤高级实验师为论文的共同通讯作者，浙江师范大学为论文唯一完成单位。
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该课题小组近期围绕新型s型异质结co2还原光催化剂的开发做了系列研究，相关工作还发表在applied catalysis b 2024, 351, 123979; applied catalysis b 2024, 342, 123445; small 2024, 20, 2304050和small 2023, 19, 2302717。上述工作得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划、浙江师范大学自主设计项目的经费支持。
编辑：张文潇