謝毅Joule：紅外光驅動二氧化碳在室溫下整體分解

【引言】

太陽能二氧化碳整體分解成碳氫化合物和氧氣，其中水作為質子源并介導電子轉移，代表了太陽能轉換的終極“圣杯”技術。然而，由于紅外光利用和二氧化碳光還原之間不可逾越的矛盾，迄今為止，近50％太陽能的紅外（IR）光從未被利用過。例如，從理論上講，CO分解為CO和O₂需要1.35 eV，這意味著920 nm以上的紅外光不能同時觸發兩個半反應。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學謝毅、孫永福（共同通訊）等人為了突破上述局限性，設計了超薄中頻帶半導體，因此首先實現了IR驅動的CO₂在單一材料上的整體分解。以合成的超薄立方WO₃層為例，理論計算結果表明，產生的氧空位達到臨界密度后，產生中間帶，可由同步輻射價帶譜，光致發光光譜，紫外-可見-近紅外光譜， 和同步輻射紅外反射光譜證實。結果，缺氧的WO₃原子層顯示IR驅動的CO₂全部分解成CO和O₂，而其催化活性即使在3天后也沒有失活。此外，更高的氧空位濃度有利于CO₂吸附和活化成COOH *自由基，因此保證了CO和O₂形成速率的增加。相關成果以題為“Infrared Light-Driven CO2?Overall Splitting at Room Temperature”發表在了Joule上。

【圖文導讀】

圖1 富V_o的WO₃原子層的表征

（A-D）TEM圖像（A）和高分辨率TEM圖像（B;紅色網格線表示晶格無序）; （C）對應于（D）中AFM圖像的高度輪廓

（E和F）對于富V_o的WO₃原子層，貧V_o的WO₃原子層和WO₃原子層的ESR譜（E）和O 1s XPS譜（F）

圖2 光激發行為與實驗譜帶結構

（A-E）光吸收譜（A）和相應的光學帶隙（B;在2,500nm處的虛線指示數據連接的位置）; （C）SRPES價帶譜和-1.0至2.0eV之間的相應放大譜; （D）在785nm激發下的光致發光光譜; （E）通過SRPES光譜測量的二次電子截止（Ecutoff）

（F）電子譜帶的結構圖示

圖3 CO₂光還原性能

（A）在氮化硅燈照射下以及在黑暗中60℃下的CO和O₂形成速率

（B）¹³CO₂光還原后產物的SVUV-PIMS譜圖

（C）表觀量子效率（％）

（D）CO演變的循環曲線

（E）CO₂ TPD光譜

（F）在富V_o的WO₃原子層上IR光驅動的CO₂還原過程的原位FTIR光譜

【小結】

這項工作為設計IR驅動的光催化反應如水分解和N₂還原開辟了新的途徑，從而大大提高了太陽能利用效率。

文獻鏈接：Infrared Light-Driven CO2 Overall Splitting at Room Temperature （Joule,2018,DOI:10.1016/j.joule.2018.02.019）

本文由材料人新能源組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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