文章信息
非化学计量比的Ag-In-S量子点用于高效的光催化CO2还原：Ag/In的比例影响活性和选择性
第一作者：史力
通讯作者：史力*，李砚硕*，叶金花*
单位：宁波大学，日本国立物质材料研究所（NIMS）
研究背景
利用太阳能为驱动力及半导体材料为催化剂在常温常压下将CO2光还原成合成气（CO+H2）是一种制备绿色能源的有效方法。开发高效的催化剂是目前光催化CO2还原领域的重要研究方向。
和传统的块体半导体材料相比，量子点材料具有更大的表面积体积比、更多的表面活性位点以及更短的电荷传输距离，被认为是一类可用于光催化CO2还原非常有前景的材料。
目前绝大多数已报道可用于光催化CO2还原的量子点材料都含有Cd和Pb等有毒重金属，这极大地限制了其大范围的应用。因此发展一种无Cd和Pb的半导体量子点光催化CO2还原材料是非常有必要的。
文章简介
基于此，来自宁波大学的史力、李砚硕教授与日本国立物质材料研究所的叶金花教授合作，在国际知名期刊Journal of Catalysis上发表题为“Non-stoichiometric Ag-In-S quantum dots for efficient photocatalytic CO2 reduction: Ag/In molar ratio dependent activity and selectivity”的研究论文。
作者以Ag-In-S量子点材料为光催化剂，以Co(bpy)32+为助催化剂，以三乙醇胺为牺牲剂，以DMF为溶剂在常温常压下进行了光催化CO2还原的性能测试，发现Ag-In-S量子点材料可用于高效的可见光催化CO2还原，并研究了量子点中Ag/In的比例对催化活性和选择性的影响及助催化剂的引入对活性和稳定性的提升作用。
图1. Ag-In-S量子点光催化CO2还原产CO和H2的性能，及催化机理图。
本文要点
要点一：Ag/In的比例影响Ag-In-S量子点的电子结构
Ag-In-S量子点中Ag/In的比例可以通过在前驱体中改变Ag+和In3+的比例进行调节。Ag/In的比例显著影响着Ag-In-S量子点的禁带宽度和能带位置。研究表明随着Ag/In比例的逐渐升高，量子点的禁带宽度逐渐变窄，吸光能力逐渐提高。
图2. 不同Ag/In比例下的量子点图片及紫外可见光吸收图。
要点二：Co(bpy)32+助催化剂的引入显著提高了光催化CO2还原的性能及稳定性
以2Ag-In-S量子点为例，在催化反应溶液中加入Co(bpy)32+助催化剂后，其CO的产率从0.54 μmol h-1提高到了9.20 μmol h-1，而且CO的选择性从6.8%提高到了74.6%。
Co(bpy)32+助催化剂的引入不仅提高了催化活性，也提高了稳定性。通过反应前后样品颜色和XRD图的对比，当反应溶液中不存在Co(bpy)32+时，催化反应后Ag-In-S量子点的结构发生了破坏，这是因为材料中的Ag+极易被光生电子还原为Ag0.
图3. Co(bpy)32+助催化剂对Ag-In-S量子点光催化CO2还原反应稳定性的影响。
要点三：Ag/In的比例影响Ag-In-S量子点的光催化性能
研究表明随着Ag/In比例的提高，光催化CO2还原的性能和选择性先提高后减少，在Ag/In的比例为0.154:1时，CO的产率达到最大的9.20 μmol h-1，选择性达到了最大的74.6%。
要点四：机理研究表明Ag/In的比例影响着Ag-In-S量子点的电荷寿命和能带位置
荧光寿命测试表明随着Ag/In比例的提高，Ag-In-S量子点的电荷寿命逐渐升高，然而导带位置逐渐降低。电荷寿命的提高有助于光催化CO2还原反应的进行，然而导带位置的降低将不利于CO2的催化还原，因此在Ag/In的比例达到某一中间值时性能达到最大值。
图4. 不同Ag/In比例下Ag-In-S量子点的荧光寿命及能带图。
文章链接
Non-stoichiometric Ag-In-S quantum dots for efficient photocatalytic CO2 reduction: Ag/In molar ratio dependent activity and selectivity
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021951721003080
原文刊载于【科学材料站】公众号
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