近日，我院李俊副教授研究小组在太阳能光热催化CO₂转化领域取得新进展。相关成果以“Black phosphorus/Bi₁₉Br₃S₂₇ van der Waals heterojunctions ensure the supply of activated hydrogen for effective CO₂ photoreduction”为题发表在环境催化顶级期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（中科院一区，影响因子24.319）。郑州大学河南先进技术研究院硕士研究生牛冉冉为论文第一作者，化学学院刘巧云博士为共同第一作者，通讯作者为郑州大学李俊副教授、彭智昆副教授和杨永鹏副教授，郑州大学为唯一通讯作者单位。

二氧化碳（CO₂）的大量排放极大地影响了自然界的碳循环，导致了严重的环境问题。通过光催化将CO₂还原为燃料已被确定为减少碳排放的绿色途径。目前，用于光催化CO₂还原反应的光催化剂有TiO₂、g-C₃N₄、WO₃等，然而，受限于这些宽带半导体光催化剂的光吸收性能和光生载体的分离效率，光催化还原CO₂的活性往往达不到预期的效果，同时该反应通常受到析氢反应的竞争性限制，导致光催化CO₂还原中活性氢（H*）的获取和利用难以保证。

金属光催化剂具有窄带隙甚至无带隙的优点，可以在紫外-可见光甚至近红外光的作用下实现光催化CO₂还原。然而，由于金属光催化剂的载流子浓度和电导率比传统的半导体光催化剂高几个数量级，导致载流子-空穴极易复合，已经探索了很多方法来促进光生载流子的分离，包括开发超薄纳米片光催化剂、构建S型异质结和表面缺陷。其中，构建S型异质结是一种行之有效的方法。

基于此，本文通过构建Black phosphorus /Bi₁₉Br₃S₂₇（BP/BBS）范德华异质结，该异质结有利于H*的产生，从而实现了有效的CO₂光还原。密度泛函理论计算结合实验研究证实电荷转移符合S方案机制，保证了光生载流子的有效分离以促进CO₂光还原反应。自由能分析显示BP/BBS异质结的形成将活性位点从BBS变为BP，从而降低了限速步骤（H*形成）的能量，确保了CO₂还原过程中活性氢的供应，极大地提高了光热催化CO₂还原效率。本研究还发现光催化体系的热量主要是有利于CO₂的质子化而不是H*解吸，这可以大大提高CO₂的还原效率。因此，优化的BP/BBS异质结在液相和气固相体系中均实现了高效的CO₂还原性能，这项工作为光催化CO₂还原和其他光化学过程提供了一种产生H*的有效策略。

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337322006683