发布时间:2021-08-19 16:17 原文链接: 周勇/熊宇杰/王金兰NatureCommun.

  南京大学物理学院环境材料与再生能源研究中心周勇课题组设计合成了富含S空位的单层AgInP2S6纳米片,实现了高效光催化二氧化碳(CO2)转化乙烯(C2H4)。

  将CO2光催化转化为太阳能燃料,在节约能源和环境保护方面可谓一举两得。同时有望应用于地外人工光合成,利用太空舱密闭环境中的废弃CO2,或地外天体环境中丰富的CO2资源,原位、快速、可控地将二氧化碳转化成为氧气和含碳燃料,大幅度降低载人航天器的物资供应需求,支撑可承受、可持续的载人深空探索。这一反应多发生在半导体表面,涉及多电子/质子转移等复杂过程。近十年来,光驱动CO2加氢成C1物种已经取得了很好的进展,邹志刚院士和周勇教授团队率先开发了一系列高效光催化剂(Adv. Mater. 2014,26,4607,review article),将CO2选择性地转化特定的碳氢化合物,如Zn2GeO4超薄纳米带获得甲烷(J. Am. Chem. Soc. 2010,132,14385-14387),原子级InVO4纳米片生成一氧化碳(J. Am. Chem. Soc. 2019,141,4209-4213),TiO2 -石墨烯杂化纳米片获得乙烷(Adv. Funct. Mater. 2013,23,1743-1749)等。然而,调控C-C耦合反应,生产高附加值C2或C2+产物仍然面临巨大的挑战。C2H4在化工工业中具有很高的需求量,是一种特别重要的化学原料。C2H4通常是在苛刻的生产条件下(800 ~ 900℃),将石脑油蒸汽裂解而得到。因此,通过温和、环保和节能途径实现C2H4的合成具有重要意义。

  AgInP2S6是一种典型的斜方六面体结构过渡金属磷硫化物。它具有合适的带隙(Eg = ~2.4 eV),有利于可见光的吸收。AgInP2S6的中心对称结构也使光生电子均匀分布在层状晶体的表面,可以显著降低催化分子活化势垒,改变催化反应途径,提高产物产率并丰富产物种类。

  超薄二维结构是一个洞察原子级结构与催化活性关系的理想平台。首先,超薄结构使得光生载流子可以很容易地从内部迁移到表面,缩短电荷转移距离,减少体相复合。其次,较大的比表面积可以提供丰富的催化活性位点。第三,超薄结构带来的透明度有助于光的吸收。在超薄材料表面,进一步构筑缺陷,引入不饱和配位表面原子,可以丰富催化反应中间产物,促进CO2光还原C-C偶联,生成多碳产物。

  通过探针超声剥离AgInP2S6体材料(简称BC),合成厚度为 ~ 0.70 nm AgInP2S6单原子层(简称SAL)(图1)。通过H2O2溶液蚀刻,在SAL表面引入硫空位(简称VS),获得具有硫缺陷结构的单层样品(简称VS-SAL)。将这些催化剂用于光还原CO2,BC和SAL主要生成CO(图2)。缺陷的引入改变了VS-SAL光催化CO2还原反应的途径,高效生成 C2H4(产物选择性达到~73%,电子选择性高达~ 89%)。理论计算表明(图3),BC和SAL生成CO关键步骤遵循CO2常规加氢生成*COOH的过程,进一步耦合质子/电子对生成*CO。*CO容易从无缺陷AgInP2S6表面释放出来(低吸附能),成为游离CO气体。相比之下,引入VS的AgInP2S6,电荷易于在VS附近Ag原子上富集,可以有效地捕获*CO,降低C-C耦合生成C2产物的势垒。这项工作为超薄二维光催化剂的设计提供了新的见解,并揭示缺陷工程在调节催化活性和选择性方面起到至关重要的作用。

  该研究成果近期以“Vacancy-Defect Modulated Pathway of Photoreduction of CO2 on Single Atomically Thin AgInP2S6 Sheets into Olefiant Gas” 为题,发表在Nature Communications,DOI:10.1038/s41467-021-25068-7。该工作由南京大学周勇教授、中国科学技术大学熊宇杰教授和东南大学王金兰教授合作完成,工作得到邹志刚院士指导。南京大学为第一通讯单位,南京大学物理学院博士生高娃为第一作者。研究工作得到南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心和江苏省纳米技术重点实验室和南京大学物理学院环境材料与再生能源研究中心等平台支持,获得科技部重点研发计划、国家自然科学基金和南京大学登峰人才计划(B)等项目资助。

  关键词: 二维材料、缺陷、超薄结构、光催化CO2还原、乙烯

  Two-dimension material, defect, ultrathin structure, photocatalytic CO2 reduction, ethylene

图片.png

  原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-25068-7


相关文章

1650万,南京大学采购色质联用、X射线能谱仪、X射线衍射仪等

近日,南京大学就“南京大学苏州校区科研仪器共享中心高效液相色谱质谱联用仪采购项目”、“南京大学苏州校区科研仪器共享中心多功能X射线光电子能谱仪采购项目”、“南京大学苏州校区科研仪器共享中心X射线衍射仪......

南大开设全国首个“人工智能通识核心课程体系”

2月27日,南京大学发布“人工智能通识核心课程体系”总体方案。这是全国高校首个人工智能通识核心课程体系,计划于2024年9月面向南京大学3700余名新生开放。据介绍,该课程体系采用“1+X+Y”三层次......

南京大学数学系:停止招收学硕

南京大学数学系关于停止招收学术型硕士研究生的公告依据南京大学和学科发展需要,经本系充分研究并向主管部门报送并获得批准,特此宣布:自2024年起,南京大学数学系将停止招收学术型硕士研究生。本系将一如既往......

1185万!南京大学采购非靶向筛选质谱仪和原子层沉积设备

原子层沉积(ALD)设备项目所在采购意向:南京大学企业信息2023年7至9月政府采购意向采购单位:南京大学企业信息采购项目名称:原子层沉积(ALD)设备预算金额:700.000000万元(人民币)采购......

南京大学物理学院副院长缪峰:在原子世界里“搭积木”

《人民日报》2023年02月22日第06版版面截图缪峰在作学术报告。受访者供图原标题:南京大学物理学院副院长缪峰——在原子世界里“搭积木”(讲述·弘扬科学家精神)人物名片缪峰:1982年生,江苏海安人......

南大这篇Science取得重大突破

“成功=1%的汗水+99%的机遇/灵感”。十年前,南京大学大气科学学院教授丁爱军在科学网博客中写下这个“公式”。没成想引起了不小的关注,对此观点有理解与支持,也有批评与质疑。十年后,他依旧秉持这个观点......

硬核!南京大学再发Science!

极端野火威胁着人类生命、空气质量和生态系统。气象学在野火行为中起着至关重要的作用,野火和气候之间的联系已被广泛研究。然而,目前还不完全清楚火灾天气反馈如何影响短期野火变化,这削弱了人们减轻火灾灾害的能......

悲痛|中国工程院院士、南京大学教授黎介寿逝世

1月31日,东部战区总医院发布讣告:中国共产党优秀党员,中国工程院院士,国际著名普通外科专家、医学教育家,中国医学科学院学部委员,原南京军区南京总医院副院长,东部战区总医院全军普通外科研究所名誉所长,......

工作人员被举报“致女学生怀孕”南京大学回应

据南京大学官微消息,2022年10月,互联网上流传多份举报材料,称南京大学政府管理学院工作人员周恒涉嫌致女学生怀孕并存在论文抄袭等行为,引发网络热议。周恒本人向公安机关报案。相关部门对此高度重视,公安......

南京大学医学院一论文被撤:研究基因“不存在”

2022年12月21日,国际学术期刊《转化医学期刊》(JournalofTranslationalMedicine)在线发表撤稿说明称,撤回一篇论文,因为涉事论文中研究的基因不存在。涉事论文的通讯作者......