遼寧大學(xué)物理學(xué)院范曉星教授、陶然講師、楊全占副教授與博士研究生王彥欣在燃料科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊Fuel上發(fā)表了題為“Enhanced solid-gas-phase carbon dioxide photoreduction efficiency through in-situ growth of W₁₈O₄₉ on one-dimensional Nb₂O₅ nanofibers for forming well-connected S-scheme heterojunction”的研究論文。該期刊是SCI中國(guó)科學(xué)院一區(qū)Top期刊。

論文簡(jiǎn)介

自然界中的光合作用是利用太陽能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物。然而，這種自然過程效率低下，對(duì)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的直接應(yīng)

用提出了挑戰(zhàn)。針對(duì)這一局限，人工光合作用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，旨在模擬和優(yōu)化自然過程，實(shí)現(xiàn)CO2的高效還原轉(zhuǎn)化。光催化CO₂還原技術(shù)被認(rèn)為是一種綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。盡管半導(dǎo)體光催化反應(yīng)比生物光合作用具有許多優(yōu)勢(shì)，但其效率仍然受到低電荷分離效率和有限的光吸收能力的限制。因此，探索高效的人工光合作用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)CO₂的還原和轉(zhuǎn)化，已成為緩解能源危機(jī)和溫室效應(yīng)的重要研究方向。

圖1 展示了Nb₂O₅/W₁₈O₄₉異質(zhì)結(jié)納米纖維制備步驟

該研究中，采用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合后續(xù)的煅燒過程設(shè)計(jì)了一種具有豐富介孔結(jié)構(gòu)的Nb2O₅納米纖維網(wǎng)氈膜作為基底，并在其纖維表面原位生長(zhǎng)W₁₈O₄₉納米片，構(gòu)建了一種新型Nb2O5/W₁₈O₄₉ S型異質(zhì)結(jié)納米纖維光催化材料。值得注意的是，此異質(zhì)結(jié)納米纖維在無需添加空穴犧牲劑的條件下，展現(xiàn)出了卓越的氣固相光催化CO2還原性能及優(yōu)異的穩(wěn)定性。得益于局域表面等離子體共振效應(yīng)，該光催化劑的光吸收范圍得到了顯著擴(kuò)展。同時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論計(jì)算的綜合分析，進(jìn)一步揭示了光激發(fā)電子的轉(zhuǎn)移路徑遵循S型機(jī)制。此外，原位FT-IR光譜揭示了光反應(yīng)機(jī)理，并鑒定了產(chǎn)物形成的關(guān)鍵中間體。本研究成果凸顯了納米纖維異質(zhì)結(jié)光催化劑在推動(dòng)高效人工光合作用、生產(chǎn)有價(jià)值能源方面的巨大潛力和應(yīng)用前景。該文章第一作者為遼寧大學(xué)2024級(jí)原子與分子物理博士研究生王彥欣，通訊作者為物理學(xué)院陶然老師和楊全占副教授。

圖2 展示了Nb2O5/W₁₈O₄₉異質(zhì)結(jié)納米纖維氣固相光催化CO2還原性能、空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)、量子產(chǎn)率性能、穩(wěn)定性測(cè)試，還展示了與最近文獻(xiàn)報(bào)道的性能比較，以及通過原位FT-IR光譜檢測(cè)異質(zhì)結(jié)納米纖維CO2光轉(zhuǎn)化反應(yīng)的中間體。