笃行催化与功能涂层团队在光热协同环境催化方向上取得新研究进展

构建多组分或多相半导体异质结复合材料是提升光/光热/光电环境与能源催化中光利用效率的重要途径。针对目前所报道的Type II型、Z型和S型等主流异质结材料要求半导体之间的能隙存在交错，难于同时获得宽光响应范围和高氧化还原电位，而另一大类能隙分裂类的III型异质结组分间带隙不交错，难于形成有效的相间光致电荷传递与分离等半导体异质结催化材料的技术瓶颈问题，中山大学化学工程与技术学院笃行催化与功能涂层团队（负责人：芮泽宝教授）创新性地提出了通过在能隙分裂异质结半导体间引入具有在可见光激发下产生局域表面等离子体共振（LSPR）效应的激元作为光生电荷传递的桥连，构筑新型桥式（Type B型）异质结构的全新异质结光催化材料的设计思路，实现了在不牺牲能隙分裂类半导体的氧化还原电位和宽光响应范围的情况下光生电荷的有效传递和分离，并成功构筑了系列基于金属桥连和能隙分裂异质结的Type B型异质结催化剂，获得了优异的光热协同催化降解甲苯等VOCs和还原CO₂的反应性能 (http://cet.sysu.edu.cn/article/958; https://mp.weixin.qq.com/s/axCvF3woZStl5rcfuDhOg)。

图1. Type B型异质结WO_3-x-R/GdCrO₃光热环境下电荷迁移分离和催化应用示意图

为了进一步拓展基于能隙分裂异质结的Type B型异质结催化材料的设计思路和应用潜力，近期，笃行催化与功能涂层团队报道了一种激活III型异质结的新策略，即在界面中引入缺陷位点，并利用缺陷带作为光生电子的存储和二次激发的桥梁，来构建高催化活性的Type B型异质结。以具有高氧化还原电位和窄带隙的能隙分裂III型WO_3-x/GdCrO₃异质结为例，通过在WO_3-x-GdCrO₃界面引入丰富的W^5/4+缺陷位点，成功构筑了由界面缺陷带桥连的Type B型异质结WO_3-x-R/GdCrO₃，实现了在光热条件下光生电荷的有效分离，如图1所示。所设计的Type B型WO_3-x-R/GdCrO₃突破了传统异质结材料各项性能指标相互制约的技术难题，同时获得了高氧化还原能力、宽光谱响应范围和高光生电子/空穴对分离效率，从而获得优异的光热催化CO₂还原和VOCs降解性能（图2），实现在无贵金属和无牺牲剂条件下，性能优于相近反应条件下文献报道的光或光热催化VOCs净化或CO₂还原性能。总之，所提出的新型利用界面缺陷能带桥连的Type B型异质结的概念和设计思路不仅突破了传统异质结材料各项性能指标相互制约的技术难题，还有望克服金属激元桥连Type B型催化剂的双界面调控难题和高成本问题，在光/光热/光电环境与能源催化技术、光电阴保防腐技术等涉光领域都具有潜在应用价值。

图2 Type B型异质结WO_3-x-R/GdCrO₃光热催化性能：(a&b) CO₂还原和(c&d) VOCs净化

该研究成果近期分别发表在环境催化领域知名期刊Applied Catalysis B: Environmental（J. Li, J. Feng, X. Guo, H. Fang, J. Chen, C. Ma, R. Li, Y. Wang, Z. Rui, Defect-band bridge photothermally activates Type III heterojunction for CO₂ reduction and typical VOCs oxidation, Appl. Catal. B, 2022, 309, 121248）上，笃行催化与功能涂层团队18级博士生黎景卫为论文第一作者，芮泽宝教授为通讯作者。基于所开发的光热催化材料在VOCs净化和光热催化CO₂还原等方向上所展现出来的优异性质和较好的应用前景，研究团队已申请多项发明专利（ZL 201810417799.2；CN110237853A；CN110368924A；CN111659392A），并正在通过产学研合作进行相关应用产品的开发。该工作得到了国家自然科学基金（21776322）和广东省科技创新战略专项资金(“攀登计划”（pdjh2020a0006）的资助，也得到了论文中所列的相关合作单位和科研人员的帮助。