ACB：具有化学键合界面的S型Bi2Sn2O7/BiOBr异质结材料驱动光催化高效固氮

新型储能电池

文章信息

具有化学键合界面的S型Bi₂Sn₂O₇/BiOBr异质结材料驱动光催化高效固氮

第一作者：Yi Zhang

通讯作者：Jun Di， Jiexiang Xia

单位：江苏大学南京理工大学

研究背景

低维材料在捕获光和产生激子方面展现巨大优势，同时这些材料表面富含的不饱和官能团和边缘位点为光催化剂的合理设计提供了条件。然而，尽管它们因其窄带隙可以被有效激发，但由于光电子的热化，通常会迅速湮灭。为了强化对电子的限域作用，宽带隙材料被认为是承载受激电子和优化迁移过程的理想平台。

在此，表面富氧空位的Bi₂Sn₂O₇（BSO）纳米颗粒被设计组装在具有Bi-O空位对的超薄BiOBr（BOB）纳米片上以构建化学键合界面。通过缺陷暴露的Bi和O原子形成新的Bi-O键，以加强内建电场，从而构建了Bi₂Sn₂O₇/BiOBr（BSOB）S型异质结。

在光照过程中，BOB的导带中的电子迅速与BSO的价带中的空穴重组，富集在BSO的导带中的电子赋予了BSOB强大的还原能力，驱动高效的光催化固氮过程。这项工作为构建基于化学界面键合的高效S型异质结光催化剂提供了原子尺度的见解。

文章简介

本工作中，来自南京理工大学狄俊教授和江苏大学夏杰祥教授等合作在Applied Catalysis B: Environmental上发表了题为“Chemical Bonding Interface in Bi₂Sn₂O₇/BiOBr S-Scheme Heterojunction Triggering Efficient N2 Photofixation”的研究性论文，探究了构建具有化学键合界面连接的S型异质结光催化剂对提升光催化固氮性能的影响机制。

本文要点

要点一：BSOB中化学键合界面的构筑

通过在超薄BOB纳米片中引入Bi-O空位对及在BSO纳米颗粒中构建O缺陷，从而有效暴露了相邻的Bi,O原子以增强界面适配，为BSOB的制备创造了条件。BSOB由BSO及BOB静电吸引自组装形成，多种谱学表征验证了界面Bi-O键的形成及在成键过程中电子的自发转移。通过理论计算构建对比了BSOB中化学键合界面及物理混合界面的电子结构特性差异，发现化学键合界的能垒更低，电子可以更容易地迁移，表明化学键合界面有利于促进异质结构中的电荷转移。

图1 BSOB的结构表征及计算模拟

要点二：S型BSOB异质结促进光催化固氮机理探究

相较于BOB和BSO，BSOB在无牺牲剂及助催化剂条件下表现出更强的光催化固氮性能。产物通过同位素实验验证N源。经ESR测试发现，BSOB的还原能力得到显著提升，符合典型S型异质结特征。

其机理为：当形成BSOB时，BSO中的电子会自发地扩散到BOB，在BSO中形成电子耗尽层，并在BOB中形成电子累积层。受内建电场影响，BOB和BSO的能带发生弯曲，形成S型异质结。在光照中，BOB和BSO的电子分别被激发跃迁到CB。界面静电作用使得BOB的CB中的电子通过Bi-O键与BSO的VB中的空穴重组，导致BSO的CB中电子能够被有效保留，从而BSOB表现出增强的光催化固氮能力。

图2. BSOB的性能及机理研究

要点三：N2在BSOB表面的中间体演化过程

N2在BSOB上的转化通过远端连续加氢途径实现。具有化学键合界面的BSOB可以自发地将中间体裂解为单个吸附的*N，同时有利于*H的形成，因而促进了N₂向NH₃的转化。

图3. N2分子在BSOB表面的理论计算模拟研究

文章链接

Chemical Bonding Interface in Bi₂Sn₂O₇/BiOBr S-Scheme Heterojunction Triggering Efficient N₂ Photofixation

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092633732201089X

通讯作者简介

狄俊教授简介：南京理工大学紫金青年教授。2012和2018年于江苏大学获学士、博士学位。2016-2017年于南洋理工大学进行博士联合培养，2018-2022年于南洋理工大学进行博士后研究，合作导师刘政教授。2022年加入南京理工大学化学与化工学院。目前主要致力于二维材料用于光催化方面的研究。

目前已发表一作/通讯(共同)论文60余篇，包括Nat. Commun., Angew. Chem., Int. Ed., Mater. Today, Adv. Mater., Adv. Energy Mater.,等。引用10000余次，h-index为55，高引论文18篇。获2019年度江苏省优秀博士学位论文。2019-2022年入选斯坦福大学/Elsevier发表的当年“全球前2%科学家之一”，2021、2022年入选全球学者库公布的“全球顶尖前10万科学家排名”。担任Photocatalysis: Research and Potential编委、Chinese Chemical Letters、Rare Metals青年编委。

夏杰祥教授简介：江苏大学教授，博士生导师。中国化学会会员，中国感光学会会员。2006年毕业于江苏大学化学专业，获理学学士学位。2011年毕业于江苏大学环境工程专业，获工学博士学位。2016年2月至2018年3月在美国橡树岭国家实验室进行访问学者研究。现主要从事铋系材料的设计及其在光催化CO2转化方面的研究。

近5年来，以第一/通讯作者已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Energy, Appl. Catal. B-Environ., Small等国际期刊发表50余篇论文，21篇论文入选ESI-TOP 1%论文。2017年入选英国皇家化学会期刊“Top 1%高被引中国作者”榜单。2019和2021年分别入选科睿唯安全球高被引科学家名单。2020年入选中国化工学会离子液体专业委员会委员；现担任Green Energy & Environment、Chinese Chemical Letters和Chinese Journal of Structural Chemistry期刊青年编委。

第一作者简介

张屹简介：江苏大学博士，导师夏杰祥教授。目前主要致力于铋系材料的设计及其应用于光催化环境治理及能源转化方面的研究。博士期间以第一作者在Appl. Catal. B, J. Colloid Interface Sci, Curr. Opin. Green Sustain等期刊发表SCI论文5篇。