Rational Design of Dot‐on‐Rod Nano‐Heterostructure for Photocatalytic CO2 Reduction: Pivotal Role of Hole Transfer and Utilization

异质结 材料科学 纳米棒 量子点 电子转移 光催化 半导体 人工光合作用 纳米技术 光电子学 光化学 纳米- 化学 催化作用 生物化学 复合材料
作者
Zhi‐Kun Xin,Yu‐Ji Gao,Yuying Gao,Hongwei Song,Jiaqing Zhao,Fengtao Fan,Andong Xia,Xu‐Bing Li,Chen‐Ho Tung,Li‐Zhu Wu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (3): e2106662-e2106662 被引量:106
标识
DOI:10.1002/adma.202106662
摘要

Abstract Inspired by green plants, artificial photosynthesis has become one of the most attractive approaches toward carbon dioxide (CO 2 ) valorization. Semiconductor quantum dots (QDs) or dot‐in‐rod (DIR) nano‐heterostructures have gained substantial research interest in multielectron photoredox reactions. However, fast electron–hole recombination or sluggish hole transfer and utilization remains unsatisfactory for their potential applications. Here, the first application of a well‐designed ZnSe/CdS dot‐on‐rods (DORs) nano‐heterostructure for efficient and selective CO 2 photoreduction with H 2 O as an electron donor is presented. In‐depth spectroscopic studies reveal that surface‐anchored ZnSe QDs not only assist ultrafast (≈2 ps) electron and hole separation, but also promote interfacial hole transfer participating in oxidative half‐reactions. Surface photovoltage (SPV) spectroscopy provides a direct image of spatially separated electrons in CdS and holes in ZnSe. Therefore, ZnSe/CdS DORs photocatalyze CO 2 to CO with a rate of ≈11.3 µmol g −1 h −1 and ≥85% selectivity, much higher than that of ZnSe/CdS DIRs or pristine CdS nanorods under identical conditions. Obviously, favored energy‐level alignment and unique morphology balance the utilization of electrons and holes in this nano‐heterostructure, thus enhancing the performance of artificial photosynthetic solar‐to‐chemical conversion.
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