Zeeman Effect-Boosted Spin-Polarized Band Splitting in Diluted Magnetic Photocatalysis Semiconductors for Efficient CO2 Photoreduction

光催化 塞曼效应 半导体 磁性半导体 材料科学 磁场 自旋(空气动力学) 凝聚态物理 光电子学 化学 物理 催化作用 生物化学 量子力学 热力学
作者
Shuhui Xia,Xin Yin,Yuehui Chen,Liang Zhang,Jianyong Yu,Bin Ding,Jianhua Yan
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (1): 1519-1529 被引量:37
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c14424
摘要

Magnetic field regulation is an effective strategy to improve the photocatalytic activity of magnetic semiconductor photocatalysts, but it is not suitable for widely used nonmagnetic photocatalytic semiconductors. Here, we report a Zeeman effect-driven spin-polarized band splitting phenomenon in diluted magnetic semiconductors that show efficient photocatalytic CO2 reduction under visible-light irradiation. A flexible Ni2+-doped BaTiO3 nanofiber film is used as the diluted magnetic semiconductor model to prove this concept. The interstitial Ni2+ dopant induces the spin-polarized bands in Ni-BaTiO3 nanofibers to split under light excitation, generating spin-excited electrons and holes. This Zeeman effect induced by the magnetic field is more obvious since it intensifies the spin-polarized band splitting and generates more spin-excited electrons and holes, suppressing the carrier recombination and extending the carrier lifetime for CO2 photoreduction. As a result, the evolution rates of CO and CH4 are as high as 86.47 and 96.06 μmol/g/h under a small magnetic field of 50 mT. The proposed mechanism of Zeeman effect-driven spin-polarized band splitting is feasible to improve the CO2 photoreduction efficiency of broadly applied diluted magnetic semiconductors.
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