Suppressing S‐Scheme Charge Transfer in Type‐I Band‐Aligned Heterojunctions by Semimetallic Bismuth for Boosting Photothermal‐Enhanced CO 2 Photoreduction to CH 4 in Pure Water

材料科学 异质结 载流子 光电效应 电子转移 光电子学 电子 氧化还原 工作职能 化学物理 光热治疗 人工光合作用 电荷(物理) 半导体 纳米技术 量子效率 光催化 电子传输链 量子点 光化学 有效核电荷 分解水 激活剂(遗传学)
作者
Fengying Cao,Shenglan Chen,Yan Zhang,Lechu Xu,Kexin Shen,Tong Wu,Lian Liu,Shuxian Zhong,Zhengquan Li,Song Bai
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202531322
摘要

ABSTRACT S‐scheme charge transport enables spatial separation of photogenerated carriers in type‐I band‐aligned heterojunctions, but at the cost of recombining a fraction of electrons and holes. Herein, we demonstrate that inserting semimetallic Bi at the heterointerface between Cu 2‐x S core and TD‐COF shell effectively suppresses S‐scheme charge transfer in a Cu 2‐x S@TD‐COF heterojunction without altering the redox potentials of active carriers, thereby enhancing CH 4 photosynthesis from CO 2 and H 2 O by 3.9‐fold. The incorporated Bi functions as a “charge relay” that facilitates barrier‐free transport of photoelectrons along the Cu 2‐x S→Bi→TD‐COF pathway and holes in the opposite direction, thus preventing S‐scheme recombination between Cu 2‐x S electrons and TD‐COF holes. Concurrently, Bi serves as a “light‐to‐heat converter” that improves the photothermal response of the heterojunction, further accelerating charge separation, promoting activation of CO 2 and H 2 O molecules, and reducing energy barriers for CO 2 methanation and H 2 O oxidation. Consequently, the engineered Cu 2‐x S/Bi@TD‐COF heterojunction delivers a remarkable CH 4 production rate of 592.8 µmol g cat −1 h −1 with 99.6% selectivity, outperforming previously reported photothermal catalysts, and attaining a record‐high apparent quantum efficiency of 3.1% at 808 nm. This work unveils fundamental mechanistic insights into semimetal‐mediated charge transfer processes and establishes a rational design paradigm for high‐performance near‐infrared‐responsive type‐I band‐aligned heterostructured photocatalysts.
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