Defect-enriched BiOIO3/Ti3C2 MXene 2D/2D Schottky-type heterostructure for efficient and selective CH4 production via CO2 photoreduction: Unveiling the roles of defect inclusion and Ti3C2 MXene co-catalyst

异质结 材料科学 光催化 肖特基势垒 催化作用 量子产额 量子效率 产量(工程) 能量转换效率 纳米技术 光电子学 化学工程 化学 工程类 物理 荧光 冶金 二极管 量子力学 生物化学
作者
Dong‐Eun Lee,Reshma K. Bhosale,Devthade Vidyasagar,Wan‐Kuen Jo,Surendar Tonda
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier BV]
卷期号:202: 27-38 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2024.01.101
摘要

The photoreduction of CO2 using solar energy to produce energy-efficient fuels is a sustainable technology that addresses energy needs while reducing carbon emissions. However, synthesizing efficient and robust photocatalysts for this process is challenging. This study introduces a viable approach for highly selective CO2 photoreduction to CH4 production by integrating defect-enriched BiOIO3 (DEBI) with a Ti3C2 (TC) MXene co-catalyst, forming an efficient 2D/2D Schottky-type heterostructure. The DEBI, enhanced with precise defect engineering, showed improved light absorption and charge separation efficiency. In tandem, the TC MXene co-catalyst facilitated rapid electron transfer and significantly minimized charge recombination. Consequently, the DEBI/TC-2 heterostructure, with an optimal 2 wt% TC MXene loading, achieved a CH4 yield of 52.8 μmol h−1g−1, representing a remarkable 20.5- and 6.3-fold increase over pristine BiOIO3 and DEBI, respectively. The Schottky-type 2D/2D heterostructure also demonstrated an impressive apparent quantum yield of 0.72%, 99% CH4 selectivity over H2 generation, and remarkable stability across multiple cycles. This study underscores the synergistic advantages of defect engineering and MXene co-catalyst integration in a single system, proposing a novel direction for designing highly efficient photocatalysts for solar-driven CO2 reduction in energy-efficient fuel production.
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