文獻分享丨Small雜志 | 北京化工大學王潔欣課題組：超重力加強異質結內建電場強度，實現高效CO?光轉換
2025年7月，國際知名學術期刊Small在線刊發了北京化工大學王潔欣教授團隊在光催化二氧化碳（CO?）轉化領域的突破性研究成果。該研究創新性地利用超重力技術強化了異質結材料的內建電場強度，顯著提升了CO?光催化轉化的效率。論文的第一作者為郭賽男，通訊作者為王潔欣教授。
本研究獨辟蹊徑，創新性地引入超重力旋轉填充床（RPB）技術，借助該技術對界面接觸的強化作用以及對電荷轉移動力學的積極調控，成功達成了 Cs?Bi?Br?/TiO? 異質結的瞬間連續構建。經此技術處理后，異質結的內置電場強度顯著提升至原來的 2.3 倍，表面電荷密度也大幅提高到 1.8 倍。
所制備的異質結在 CO? 還原反應中表現卓越，展現出高達 259 μmol·g?¹·h?¹ 的還原活性，相較于傳統制備方法所得到的異質結，其活性提升了 1.5 - 6 倍之多。深入探究其作用機理發現，這一優異性能得益于超重力誘導形成的高質量界面，該界面有效促進了載流子的分離與傳輸。
值得一提的是，此策略在多種半導體體系（如 ZnO、CuO 等）中均展現出良好的普適性，為光催化異質結的制備開辟了全新的思路與范式。
圖 1 呈現了不同樣品的 HRTEM 圖像，具體包括：a) TiO?、b) CBB、c) ST-CBB/TiO? 以及 d) RPB-CBB/TiO?。此外，還通過 e) ST 和 f) RPB-CBB/TiO? 的幾何相位分析（GPA）計算了應變 xx。同時，圖 g) 展示了 RPB-CBB/TiO? 中 Cs、Bi、Br、Ti 和 O 元素的高角環形暗場圖像以及能量色散 X 射線元素映射情況。
為精準量化評估內置電場（BIEF）的強度，研究采用了表面電壓（Vs）和電荷密度（ρ）這兩個關鍵參數。實驗結果顯示，RPB - CBB/TiO?的zeta電位為 - 6.44 mV，其表面電壓（Vs）分別是ST樣品的1.8倍和3倍。基于此數據計算得出，RPB - CBB/TiO?的BIEF強度提升了2.3倍（相關數據見圖4a - c）。這一顯著增強的BIEF有力地促進了電荷的分離過程。
進一步從光致發光特性來看，RPB異質結展現出更低的穩態光致發光（PL）強度（見圖4d），同時時間分辨光致發光（TRPL）壽命也更短，僅為0.16 ns，而ST樣品的TRPL壽命為0.17 ns（見圖4e）。這表明，RPB異質結中緊密的界面結構加速了電子的轉移過程，并有效抑制了電子 - 空穴對的復合。
從功函數的角度分析，CBB的功函數（Φ = 3.82 eV）與TiO?的功函數（Φ = 4.22 eV）存在差異，這一差異驅動電子從TiO?流向CBB，進而形成了定向的BIEF（見圖4f）。在光激發下，光生電子富集于CBB，用于還原CO?；而空穴則集中于TiO?，參與氧化反應，由此構建起了一條高效的電荷轉移路徑。
綜上所述，本研究成功開創了一種瞬時且連續的超重力輔助合成策略，旨在精心設計具備增強型內置電場（BIEF）的異質結光催化劑，成功實現了基于Cs?Bi?Br?（CBB）的異質結構中界面電子的高效轉移。
在該策略中，借助旋轉填充床（RPB）裝置所產生的強大剪切力以及顯著增強的傳質效果，極大地優化了CBB/TiO?異質界面的構建過程。與傳統的類似材料相比，經此策略制備的材料展現出諸多顯著優勢：其內置電場強度大幅提升，達到原來的2.3倍；表面電荷密度提高1.8倍；在CO?光還原反應中，還原率高達259 μmol·g?¹·h?¹，相較于原始的CBB和TiO?，分別提升了3.6倍和6.0倍。
深入探究其作用機理發現，該材料性能的顯著提升主要歸因于協同增強的內置電場放大效應，以及在工程化界面上加速的電荷輸運動力學。為進一步驗證該合成策略的通用性，研究團隊還將其應用于CBB/ZnO（BIEF增強1.92倍）和CBB/CuO（BIEF增強2.04倍）體系，結果充分證明了該方法在異質結設計領域具有廣泛的適用性和巨大的發展潛力。
除了在光催化領域展現出卓越性能外，這一超重力合成平臺還為開發界面工程在先進功能材料制備中起關鍵作用的新途徑開辟了道路，尤其在能量轉換與存儲技術等相關領域，具有廣闊的應用前景和重要的科學價值。
往期推薦
#文獻速遞丨史無前例！光催化領域新突破，江海龍教授最新Angew！
1
END
1
北京鎂瑞臣科技有限公司是一家集科研儀器研發制造、銷售、服務于一體，以光催化行業為經營主線，致力于環境清潔、新能源、新材料、碳中和縱向深入發展和橫向拓展并行的高科技企業。具有國家高新技術企業資質，企業信用評級AAA級企業認證，ISO9001質量管理體系質量認證、ISO45001職業健康安全管理體系認證、ISO14001環境管理體系認證及多項實用新型專利和發明專利。
公司在光催化實驗設備技術研發方面不斷攻克技術難題，為光催化降解污染物、光解水制氫制氧或全解水、光催化二氧化碳還原、光催化合成氨（固氮）、光催化降解VOC、甲醛等實驗提供運行更穩定、操作更便捷的實驗設備整體解決方案。目前業務遍及全國，為清華大學、北京化工大學、北京大學、天津大學、上海交通大學、華東理工大學、武漢大學、西安交通大學、南京工業大學、南京林業大學、東北師范大學、福州大學、淮北師范大學、中科院物理研究所等科研機構提供了周到滿意的服務，贏得了良好口碑。
MC鎂瑞臣立志于在光催化行業深耕細作厚積薄發，用品牌和服務成就每一個應該成功的人，愿成為您科研路上最真誠的伙伴！
