通过缺陷工程改变光催化剂的物理化学性质并提高其活性一直是光催化领域的热门研究方向。由于传统理念中催化反应都是发生在表面，所以一直以来的研究主要集中在催化剂的表面缺陷对其物化性质的改变和其活性提高的机理。另一方面由于离子或者缺陷的迁移，引入独立的非表面缺陷并深入研究其在光催化过程中所起的作用是一个相当具有挑战性的工作。

近日，比利时鲁汶大学Maarten Roeffaers教授（点击查看介绍）团队联合福州大学的龙金林研究员（点击查看介绍）团队利用单层Bi₂WO₆（MonoBT）的层状三明治结构[BiO]⁺-[WO₄]^2--[BiO]⁺成功引入了非表面W缺陷（DefectBT），并以此为模板催化剂，研究非表面缺陷在光催化反应中所起的作用，在太阳光照射下实现了苯甲醇的高效高选择性氧化生成苯甲醛。这一缺陷态是通过改变MonoBT水热合成过程中的温度和时间，从而影响WO₄的晶化以及WO₄和BiO的组装的过程，控制W缺陷在WO₄层中生成。

DefectBT在苯甲醇的光催化含氧选择性氧化反应中表现出令人欣喜的反应活性，8小时内实现了55%的转化率以及接近100%的苯甲醛的选择性，转化率相对于BulkBT（17%）、MonoBT（44%）都表现出明显的提高。为了充分证明非表面W 缺陷对材料光催化性能的提高，他们还设计合成了带有表面Bi缺陷的单层Bi₂WO₆，相对含有Bi缺陷的催化剂，DefectBT依旧表现出更出色的催化活性（ca. 1.4倍）。而且在5个循环反应中（40小时）DefectBT表现出稳定的光催化活性，表明W缺陷的存在并不会影响其材料稳定性。

通过实验和计算发现，DefectBT的禁带宽度（2.75 eV）明显的减小，而且由于缺陷能级的引入，在整个可见光范围内都表现出缺陷吸收。随后在一系列光电化学的实验中，研究人员发现，非表面W缺陷可以增大价带中的供体密度减小材料的电阻。而且由于[BiO]⁺-[WO₄]^2--[BiO]⁺特殊的类异质结结构，其电子空穴在WO₄和BiO界面分离，其电子会停留WO₄层，ESR的结果表明W缺陷的存在能增强其电子的还原能力。

这一研究为缺陷光催化研究打开了一个新的方向，为未来研究设计非表面缺陷的提供了借鉴。相关工作发表于ACS Catalysis 上。文章的第一作者是黄皓玮博士，目前就读于比利时鲁汶大学。

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Subsurface Defect Engineering in Single-Unit-Cell Bi₂WO₆  Monolayers Boosts Solar-Driven Photocatalytic Performance

Haowei Huang, Chen Zhou, Xingchen Jiao, Haifeng Yuan, Jiwu Zhao, Chunqing He, Johan Hofkens, Maarten B. J. Roeffaers, Jinlin Long, Julian A. Steele

ACS Catal., 2020, 10, 1439-1443, DOI: 10.1021/acscatal.9b04789

导师介绍

Maarten Roeffaers

https://www.x-mol.com/university/faculty/80577

龙金林

https://www.x-mol.com/university/faculty/9563