Dual-Defect Donor–Acceptor Pairing in Metal Oxide Semiconductors for Enhanced CO 2 Photoreduction

材料科学 轨道能级差 配对 光催化 重组 光化学 金属 铋 化学物理 半导体 氧化物 价(化学) 电子 吸附 电荷(物理) 载流子 氧气 光诱导电荷分离 光电子学 电子结构 带隙 电子空穴 纳米技术 表面状态 真空度 价电子 催化作用 价带 导带
作者
Qiang Li,Chao Lü,J.R. Karin,Yehui Zhang,Chongyi Ling,Xiuyun Zhang,Zhaobo Zhou,Jinlan Wang,Oleg V. Prezhdo
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (46): 16507-16514 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c04671
摘要

Defect engineering has emerged as a powerful approach to enhance the photocatalytic activity of metal oxides, yet the role of oxygen vacancies, commonly regarded as the Shockley–Read–Hall charge recombination centers, remains controversial. Taking bismuth oxybromide (BiOBr) as a prototypical photocatalyst, we demonstrate a dual-defect strategy incorporating both surface Br (VBr) and bulk O (VO) vacancies to suppress recombination and enhance CO2 reduction. While the VO alone results in significant charge losses, the VBr improves CO2 adsorption and lowers its LUMO to effectively capture photoexcited electrons from the VO-induced defect state for the subsequent reaction. Formation of a donor–acceptor pair between the CO2 LUMO and the valence band maximum facilitates long-lived charge separation due to weak nonadiabatic coupling. The strategy extends to vacancy–transition metal doping, further lowering reaction barriers and advancing defect engineering principles. The study provides a comprehensive understanding of defect-dependent photocatalytic reactions, forming a basis for defect engineering in photocatalysis.
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