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Unveiling the synergistic role of nitrogen vacancies and Z-scheme heterojunction in g-C3N4/β-Bi2O3 hybrids for enhanced CO2 photoreduction

材料科学 异质结 氮气 光催化 合理设计 吸附 光化学 石墨氮化碳 氧化还原 吸热过程 化学工程 纳米技术 催化作用 光电子学 物理化学 有机化学 化学 工程类 冶金
作者
Yang Wang,Chaogang Ban,Yajie Feng,Jiangping Ma,Junjie Ding,Xiaoxing Wang,Lujie Ruan,Youyu Duan,M.G. Brik,Li‐Yong Gan,Xiaoyuan Zhou
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:124: 109494-109494 被引量:53
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109494
摘要

Rational design of highly efficient photocatalysts for CO2 conversion into carbonaceous fuels is of great significance to mitigate the global greenhouse effect and energy shortage problem. Among numerous materials studied for this purpose, the carbon nitride (g-C3N4) has been widely used in photocatalytic CO2 reduction (PCR) due to its decent optical properties, low cost and environment friendliness. However, its wide use still remains a substantial challenge due to inefficiency of the active site and rapid recombination of photogenerated electrons and holes. Herein, we suggest a Z-scheme system of nitrogen vacancies g-C3N4/β-Bi2O3 heterojunction photocatalyst based on self-assembly of nitrogen vacancies in g-C3N4 nanosheets and β-Bi2O3 micro-flowers, yielding an enhanced CO evolution rate of 30.56 μmol·g−1·h−1 under the simulated solar light without any cocatalysts and sacrificial agents. Our detailed studies indicate that the promoted PCR performance originates from the stronger adsorption capability of the *COOH intermediates due to the cleavage of the C-C bond in nitrogen vacancies g-C3N4 (NV-C3N4), turning the most endothermic step from the formation of *COOH intermediates to *CO. Moreover, the unique Z-scheme feature can efficiently facilitate the separation of photoelectron-hole pairs and enhance redox capability by optimizing the energy band structure. To sum up, this work provides deep insights and guidelines for rational design of highly efficient Z-scheme heterojunctions catalysts for CO2 photoreduction to solar fuels.
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