Photothermal Effect- and Interfacial Chemical Bond-Modulated NiOx/Ta3N5 Heterojunction for Efficient CO2 Photoreduction

光热治疗 材料科学 异质结 催化作用 非阻塞I/O 光化学 光热效应 电子转移 化学键 化学工程 纳米技术 光电子学 化学 有机化学 工程类
作者
Lang Pei,Xusheng Wang,Heng Zhu,He Yu,Sateesh Bandaru,Shicheng Yan,Zhigang Zou
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (44): 51300-51308 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsami.3c13538
摘要

Photothermal catalysis, which combines light promotion and thermal activation, is a promising approach for converting CO2 into fuels. However, the development of photothermal catalysts with effective light-to-heat conversion, strong charge transfer ability, and suitable active sites remains a challenge. Herein, the photothermal effect- and interfacial N-Ni/Ta-O bond-modulated heterostructure composed of oxygen vacancy-rich NiOx and Ta3N5 was rationally fabricated for efficient photothermal catalytic CO2 reduction. Beyond the charge separation capability conferred by the NiOx/Ta3N5 heterojunction, we observed that the N-Ni and Ta-O bonds linking NiOx and Ta3N5 form a spatial charge transfer channel, which enhances the interfacial electron transfer. Additionally, the presence of surface oxygen vacancies in NiOx induced nonradiative relaxation, resulting in a pronounced photothermal effect that locally heated the catalyst and accelerated the reaction kinetically. Leveraging these favorable factors, the NiOx/Ta3N5 hybrids exhibit remarkably elevated activity (≈32.3 μmol·g-1·h-1) in the conversion of CO2 to CH4 with near-unity selectivity, surpassing the performance of bare Ta3N5 by over 14 times. This study unveils the synergistic effect of photothermal and interfacial chemical bonds in the photothermal-photocatalytic heterojunction system, offering a novel approach to enhance the reaction kinetics of various catalysts.
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