综述：缺陷工程与S型结构异质结的协同作用，用于高效降低二氧化碳

时间：2026年2月9日

来源：Process Safety and Environmental Protection

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光催化CO₂还原效率受限于电荷分离与光吸收的平衡，本研究通过缺陷工程和S型异质结设计合成Bi4O5Cl2/g-C3N5催化剂，实现CO产率57.2 μmol·g⁻¹·h⁻¹，较单体提升3.76-4.15倍，C-Cl键构建高效电子传输通道，氮氧双缺陷增强CO₂吸附，循环稳定性优异，揭示了*COOH中间体的反应路径。

作者：贾杰 | 蒂明霞 | 张远 | 黄莉莉 | 孙北北 | 秦勇 | 江建辉

新疆生产建设兵团南疆化学资源利用工程实验室，塔里木大学化学与化学工程学院，阿拉尔，843300，中国

摘要

光催化CO₂还原对于实现碳中和至关重要；然而，其低效率仍然是一个重大挑战。通过缺陷工程和异质结构建可以提升CO₂的光催化性能。在本研究中，采用水热法成功合成了S型结构的Bi₄O₅Cl₂/g-C₃N₅催化剂。经过优化后，该催化剂在可见光照射下的CO生成速率显著提高至57.2 μmol·g^-1·h^-1，相比原始的Bi₄O₅Cl₂和g-C₃N₅分别提高了3.76倍和4.15倍。表征结果表明，这种优异的性能归因于缺陷工程和S型异质结的协同效应，其中C–Cl键起到了电子转移通道的作用。这种协同作用显著增强了CO₂的吸附和载流子分离效率。循环测试表明，优化后的催化剂表现出优异的稳定性，在连续六次循环后仍保持催化活性。原位红外光谱揭示了*COOH中间体的形成路径，证实了反应机理：CO₂ → *COOH → *CO → CO。本研究提供了一种通过缺陷工程和S型异质结设计协同提升CO₂转化效率的新策略。

引言

尽管化石燃料的大规模开发和利用极大地推动了社会经济发展，但它们也导致了资源枯竭和过量CO₂排放等严重问题（Amann等人，2013年；Lasek等人，2013年；Liu等人，2023年）。光催化技术利用太阳能这一可再生和清洁的能源将污染物CO₂转化为燃料，为解决这些问题提供了有前景的方案。这种方法既能缓解当前的能源短缺，又能减轻CO₂过量排放造成的温室效应，对能源发展和环境污染治理都具有重要意义（Mane等人，2017年；Wang等人，2019年；Qi等人，2020年；Liu等人，2020年；Sathish等人，2021年；Peng等人，2022年）。

然而，由于CO₂的非极性分子结构和高键能，其光催化还原仍然具有挑战性，这阻碍了反应动力学。因此，迫切需要具有增强CO₂吸附和转化能力的高效光催化剂，这需要对半导体光催化剂进行深入的设计优化（Zhang等人，2023a；Zhang等人，2025年；Rana等人，2024年；Yang等人，2013年）。传统光催化剂（如TiO₂和ZnO）的宽带隙结构使其主要只能吸收紫外线，对可见光的响应几乎可以忽略不计。因此，开发对可见光敏感的光活性材料至关重要（Cao等人，2015年；Wang等人，2021a；Mazzanti和Savateev，2020年；Ruban等人，2020年；Kim等人，2020年）。新兴的光催化剂（如CdS）表现出优异的可见光吸收能力，但由于产生的电子-空穴对快速重组，其实际应用受到限制，导致催化效率较低。因此，设计兼具强可见光响应性和高效载流子分离能力的光催化剂至关重要（Kumar等人，2019年；Huang等人，2018年；Zhang等人，2021a；Zhang等人，2021a）。

g-C₃N₅是一种石墨碳氮化物衍生物，由于其众多优点（包括低成本、易于合成、无毒、优异的稳定性和可调的电子性质）而受到广泛关注（Han等人，2023年）。它含有丰富的电子富集中心和狭窄的带隙（约1.75 eV），并且由于其扩展的π-共轭体系而表现出出色的光电化学性能。此外，其分子结构中的碱性氮基进一步增强了其在光催化中的应用潜力（Zhang等人，2023b；Wu等人，2022年；Cai等人，2022年；Yin等人，2021年）。氧化铋氯（Bi₄O₅Cl₂）是另一种有前景的光催化剂，因其优异的电荷分离效率和在光催化反应中的强氧化还原能力而受到广泛研究。然而，其相对较宽的带隙限制了其对可见光的响应（Jiang等人，2012年）。一般来说，单一组分半导体存在固有的局限性。例如，虽然窄带隙的g-C₃N₅表现出强可见光吸收能力，但其光生载流子容易快速复合；相反，宽带隙的Bi₄O₅Cl₂虽然具有高效的电荷分离能力，但在可见光利用方面有限。因此，在这两种半导体之间构建紧密的界面异质结是一种可行的方法，以克服各自的缺点。通过结合g-C₃N₅的强可见光捕获能力和Bi₄O₅Cl₂的高电荷分离效率，可以开发出具有优异光催化活性的杂化光催化剂。

缺陷工程在高效CO₂光催化还原系统的开发中起着关键作用，是优化光催化剂的关键研究方向（Hu等人，2014年；Li等人，2014a）。先前的研究表明，在材料表面引入适当且稳定的缺陷结构可以增强基底吸附能力，通过带隙调制拓宽光子响应范围，并优化电子-空穴分离和迁移的电荷分离动力学（Li等人，2014b；Weng等人，2015年）。在传统的II型异质结中，光生载流子的有效空间分离往往与材料框架内的全局氧化还原活性优化相冲突。相反，S型异质结系统通过将电子接受型光催化剂与电子供体型光催化剂相结合，提供了一种解决这些限制的替代方法。这样的系统可以促进定向的界面电荷转移，同时保持彼此偏移的带结构的电化学兼容性，从而实现高效的电子-空穴对分离和强氧化还原活性（Li等人，2017年；Zhang等人，2021b；Jiamprasertboon等人，2023年；Ren等人，2022年；Huo等人，2021年；Li等人，2020年；Zhao等人，2019年；Wang等人，2018a）。然而，仅靠缺陷工程或异质结构建都无法显著提升光催化效率。因此，结合缺陷调制、异质结设计和其他优化技术的协同策略是一种改进光催化性能的更优方法。

为了解决上述挑战，本研究提出了一种结合缺陷工程和S型异质结构建的协同策略，以实现高效的CO₂光还原。首先通过酸修饰制备了氮缺陷的g-C₃N₅，然后使用乙二醇作为溶剂原位合成了具有氮-氧双重缺陷的Bi₄O₅Cl₂/g-C₃N₅复合材料。本研究的新颖之处在于三个方面：首先，窄带隙g-C₃N₅（优异的可见光吸收）和宽带隙Bi₄O₅Cl₂（优异的电荷分离）的合理组合，形成了S型异质结，同时确保了强的氧化还原能力和高效的电荷分离；其次，通过酸修饰和水热处理引入氮-氧双重缺陷，显著增强了CO₂的吸附并提供了更多的活性位点；第三，形成了有效的C–Cl键作为电子转移通道，进一步促进了两种组分之间的定向电荷迁移。这种多维协同设计克服了单一组分半导体的固有局限性和单独修饰策略的不足性能，为开发高效CO₂还原光催化剂提供了一种新颖且有效的方法。

试剂

以下化学试剂均来自Sigma-Aldrich，使用其原始形式（合成过程中使用的额外高纯度试剂除外），以确保后续化学转化中的杂质干扰最小：五水合硝酸铋（Bi(NO₃)₃·5H₂O，纯度99%），3-氨基-1,2,4-三唑（3-AT，纯度96%），乙二醇（≥99.5%纯度），氯化钾（KCl）和三乙醇胺（TEOA）。

样品制备

g-C₃N₅的合成：根据修改后的文献方法进行

XRD分析

使用XRD数据分析了BOC、BOC/CN和g-C₃N₅样品的相组成。如图1a所示，Bi₄O₅Cl₂的衍射峰对应于氧化铋相（PDF#73-2060），而g-C₃N₅在27.6°处表现出特征性的（002）晶面峰，这可以归因于三-三嗪段的平面组装和规则的层间排列。所有BOC/CN样品均显示出BOC和g-C₃N₅的XRD峰，证实了成功的