【催化】具有高效可见光光催化性能的二维Bi系垂直异质结

来源：X一MOL资讯

由于具备独特的结构和电子特性，二维异质结（包括二维垂直异质结和纵向异质结）受到了广泛的关注。通过改变其组分、纵向的堆垛或横向的连接方式，可以有效地调控二维异质结的能带结构，进而在隧道晶体管、发光二极管、光探测器以及柔性光电器件等多个领域展现出了广阔的应用前景。

对于二维半导体异质结，界面处的能带结构突变可以导致其能带的弯曲及内介电场的形成。这些能带特性可以有效地促进了载流子在界面处的有效分离。与此同时，外延生长的合成方式也降低了晶界的行成，从而有效减弱了晶界对于载流子的散射作用。而且通过构建二维半导体异质结可以将具有不同功能特性的半导体材料组装到单个纳米片中，实现不同多功能材料的有效组合。因而，二维半导体异质结在光能转化方面展现出广泛的应用前景，例如光催化。而传统的光催化材料或者不具备层状结构，亦或目标材料间存在较大的晶格失配，导致很难利用其形成外延生长的二维异质结。从而利用传统半导体构建具有高效光催化性能的二维异质结，一直以来都是一个很大的挑战。近期，北航-澳大利亚伍伦贡大学联合研究中心郝维昌教授、杜轶教授、徐迅研究员领导的联合研究团队与电子科技大学董帆教授课题组密切合作，以BiOI作为半导体材料研究模型，通过表面阴离子交换法，成功合成了二维Bi系垂直异质结，充分挖掘了其光催化可能性，并证实该异质结具有高效的可见光光催化性能。

首先，研究者通过理论计算模拟对于其可行性进行了印证。基于目前的研究，虽然BiOI具有较好的可见光吸收特性，但是由于其表面暴露原子为饱和态的I原子，导致其缺少吸附、激发反应分子的活性位点，并且在光催化进程中容易发生光腐蚀，从而极大限制了BiOI在光催化方面的应用。而对于Bi2WO6，尽管其具有较好的光、热稳定性，且暴露面具有大量不饱和Bi原子作为活性位点，但其有限的可见光吸光度也导致其很难展现优异的光催化性能。基于此，研究者设计将单层Bi2WO6外延生长到BiOI表面来够建单个纳米片的二维垂直异质结（图1a），则可将BiOI和Bi2WO6光催化剂的各自优势结合在一起，不仅可以有效阻止BiOI在光催化进程中的光腐蚀，而且可以将大量的活性位点引入到BiOI表面。另外，BiOI和Bi2WO6之间的[Bi2O2]连接层可以作为电子的传输通道。从而在可见光照射下，BiOI产生的光电子可以通过该通道直接跃迁到表面的Bi原子参加光催化反应（图1b-d）。

图1. 理论模拟：（a）通过表面离子交换法构建二维Bi系层状垂直异质结；（b）和（c）二维Bi系层状垂直异质结的能带结构；（d）基于理论计算，光生电子可利用[Bi2O2] 连接层作为传输通道直接跃迁到表面暴露的Bi原子参加反应。

然后，通过探索实验，以上的理论猜想得到了充分证实（图2）。研究者通过表面阴离子交换策略成功制备出了Bi系垂直异质结，并利用STEM高分辨表征对其进行了充分证明。同时，又以NO氧化反应作为光催化性能研究模型，证实了Bi系垂直异质结与单一组分相比，具有更高的光催化性能。此外，研究者又利用原位红外测试进一步证实了表面暴露的Bi原子可以作为活性位点，有效促进光催化反应的进行，与理论模拟相吻合。

因而，Bi系垂直异质结的构建，不仅可以有效促进光生载流子的迁移，而且大大增加了活性位点的数量，进而有效提升了光催化性能。该研究为构建具有高效光催化活性的新型二维异质结提供了新的研究思路。

图2. 实验证明：通过STEM高分辨表征，充分证明了二维Bi系垂直异质结的形成；且构建的二维Bi系垂直异质结展现出了高效的可见光光催化性能。

近日，该项工作发表于Advanced Functional Materials，文章的第一作者是伍伦贡大学博士生王亮和北京航空航天大学物理学院博士生徐康。

Liang Wang, Kang Xu, Wen Cui, Dongdong Lv, Li Wang, Long Ren, Xun Xu, Fan Dong, Shi Xue Dou, Weichang Hao, Yi Du

Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1808084, DOI: 10.1002/adfm.201808084