文 章 信 息
环境稳定型2D/2D Co2P@BP/g-C3N4异质结实现高效高选择性太阳能驱动CO2转化
第一作者：胡俊蝶，阳婷玉
通讯作者：胡俊蝶*，李长明*
单位：苏州科技大学
研 究 背 景
利用太阳能驱动温室气体二氧化碳（CO2）转化为高价值燃料是同时解决“环境”和“能源”两大难题的策略之一，是实现“碳达峰”与“碳中和”目标的有效策略。然而，由于CO2的化学惰性以及产物多样性，限制了光催化技术的应用。因此，选择合适的半导体材料，实现高效高选择性的光催化CO2转化是一种可行策略。
文 章 简 介
基于此，苏州科技大学李长明教授、胡俊蝶副教授团队，在国际知名期刊Small上发表题为“Highly Selective and Efficient Solar-Light-Driven CO2 Conversion with an Ambient-Stable 2D/2D Co2P@BP/g-C3N4 Heterojunction”的观点文章。
该课题组构建了一种环境稳定型二维/二维磷化钴@黑磷/石墨相氮化碳（2D/2D Co2P@BP/g-C3N4）光催化剂用于光催化还原CO2，实现了CO2向一氧化碳（CO）的高效转化，如图1所示。此工作为光催化还原CO2技术提供了一种环境稳定、高效和高选择性的光催化剂，为光催化还原CO2提供了巨大的应用前景。
图1. Co2P@BP/g-C3N4异质结的构建及其光催化选择性还原CO2为CO的示意图
二氧化碳电解
本 文 要 点
要点一：Co2P@BP/g-C3N4异质结结构
实验结果表明，通过静电自组装成功构筑2D/2D Co2P@BP/g-C3N4异质结。通过Co-P键，高结晶性磷化钴（Co2P）纳米颗粒均匀地分散在BP纳米片表面，提高了黑磷（BP）的环境稳定性，以及光催化还原CO2为CO的选择性。
图2. (a) BP、g-C3N4和Co2P@BP材料的Zeta电位图。(b) BP材料的透射电子显微镜图。(c) BP材料的原子力显微镜图。(d) BP材料的拉曼图谱。透射电子显微镜图：(e) Co2P@BP材料（插图为Co2P纳米颗粒的粒径分布图），(f) Co2P@BP材料的高分辨透射电子显微镜图，(g) Co2P@BP/g-C3N4材料和 (h) Co2P@BP/g-C3N4材料的高分辨透射电子显微镜图。X射线能谱分析图：(i) Co2P@BP/g-C3N4材料的扫描透射图，(j-n) Co2P@BP/g-C3N4材料的mapping图，(k) Co，(l) P，(m) C，(n) N。
图3. X-射线光电子能谱：(a) Co2P@BP、g-C3N4和Co2P@BP/g-C3N4材料的全谱分析。高分辨X-射线光电子能谱分析：(b) N 1s，(c) P 2p和 (d) Co 2p
要点二：Co2P@BP/g-C3N4异质结光学性质及光电化学性质表征
BP能够有效拓宽g-C3N4材料的可见光吸收强度以及可见光吸收范围，除此之外还可以促进g-C3N4材料的光生载流子的分离和迁移效率，抑制光生载流子的重组，从而提高了光催化活性。
图4. (a) X-射线衍射图谱, (b) 固体紫外可见光吸收光谱，(c) 稳态荧光和 (d) 时间分辨光致发光光谱
图5. (a) 瞬态光电流对比图，(b) 电化学阻抗对比图
要点三：Co2P@BP/g-C3N4异质结的光催化性能
Co2P@BP/g-C3N4异质结表现出优异的光催化CO2还原的活性及选择性，CO产率高达16.21 μmol g-1 h-1，光催化CO2转化为CO的选择性高达96%，此外Co2P的修饰实现了BP在环境中较高的稳定性。
图6. 不同催化剂光催化性能：(a) 光催化CO的产量，(b) 光催化CH4的产量，(c) 光催化CO和CH4的产率，(d) 光催化CO和CH4的选择性，(e) 光催化CO2的转化率和 (f) 光催化循环稳定性试验
要点四：反应机理探究
通过理论计算，证实了Co2P@BP/g-C3N4异质结在CO2还原过程中具有较低的*COOH、*CO和*+CO能垒，同时在BP/g-C3N4和Co2P/BP异质界面上具有快速的电荷转移，解释了Co2P@BP/g-C3N4材料优异的光催化活性和对CO的高选择性的原因。
图7. 催化剂光催化还原CO2的反应机理探究：(a-d) Co2P@BP、g-C3N4和Co2P@BP/g-C3N4材料还原CO2的反应步骤及反应能垒。(e-f) BP/g-C3N4和Co2P/BP界面的电荷密度差
文 章 链 接
Highly Selective and Efficient Solar-Light-Driven CO2 Conversion with an Ambient-Stable 2D/2D Co2P@BP/g-C3N4 Heterojunction
https://doi.org/10.1002/smll.202105376