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铬酸铋的偶极增强光催化性能与深度矿化污染物能力

Science China Press

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IMAGE: (a) The comparison of photocatalytic water oxidation activity over different photocatalysts and (b) the wavelength dependent AQE of water oxidation over Bi8(CrO4)O11. (c) The comparison of degradation rate constant, degradation... view more 

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光催化技术能够利用太阳能进行化学燃料合成与环境修复,已经被认为是解决能源短缺和环境污染问题的理想途径。在实际应用中,充分利用太阳光以获得足够高的效率仍然是一个巨大的挑战。同时,光催化剂能带的减小还会削弱其氧化还原的驱动力,尤其是,水氧化和污染物降解反应,因为这些反应往往涉及复杂的多个电子过程。因此,发展宽光谱响应和高效的光催化剂用于水氧化和污染物降解是目前亟待解决的问题。

Bi基金属氧酸盐材料,如BiVO4¬, Bi2WO6, Bi2MoO6等,作为可见光活性的光催化剂而被广泛地研究,并且得益于其足够深的价带顶位置,它们在水氧化和污染物降解方面表现出了优异的光催化性能。但是,它们仍然较宽的带隙限制了太阳能利用率的进一步提升。

最近,清华大学朱永法教授课题组在《国家科学评论》(National Science Review, NSR)发表研究论文“Large dipole moment induced efficient bismuth chromate photocatalysts for wide-spectrum driven water oxidation and complete mineralization of pollutants”,报道了具有宽光谱活性的Bi8(CrO4)O11纳米棒光催化剂。Bi8(CrO4)O11的光谱吸收范围可以拓展至678nm, 使其理论太阳光谱效率达到了42.0%。同时,得益于其大的晶体偶极引发的强内建电场,Bi8(CrO4)O11实现了光生电子-空穴对的快速分离,从而展现出了高效的光催化水氧化活性,并取得了2.87% (420 nm)的量子效率。此外,Bi8(CrO4)O11的高活性还表现在苯酚降解上,其可见光驱动的降解反应常数分别是CdS和PDI超分子的22.5和8.8倍。甚至在模拟太阳光下,它的活性也并不逊色与P25-TiO2,其反应常数是后者的2.9倍。更重要的是,由于它的价带顶位置非常深(1.95 eV vs. NHE pH=7),Bi8(CrO4)O11能够深度矿化污染物,实现了对污染物降解与矿化的同步。

综上所述,该论文报道的Bi8(CrO4)O11光催化剂以及晶体偶极显著增强光催化性能的机理为设计高效的宽光谱活性光催化剂提供一条新的思路。

该论文的通讯作者是清华大学朱永法教授,第一作者是该校化学系的陈先杰博士。该研究在理论计算方面与湖北工业大学的马新国副教授合作。该研究受到国家自然科学基金的资助。

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论文连接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwz198

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