辽宁大学物理学院范晓星教授、陶然讲师、杨全占副教授与博士研究生王彦欣在燃料科学领域国际顶级期刊Fuel上发表了题为“Enhanced solid-gas-phase carbon dioxide photoreduction efficiency through in-situ growth of W18O49 on one-dimensional Nb2O5 nanofibers for forming well-connected S-scheme heterojunction”的研究论文。该期刊是SCI中国科学院一区Top期刊。
论文简介
自然界中的光合作用是利用太阳能将二氧化碳和水转化为有机物。然而，这种自然过程效率低下，对大规模工业生产的直接应
用提出了挑战。针对这一局限，人工光合作用技术应运而生，旨在模拟和优化自然过程，实现CO2的高效还原转化。光催化CO2还原技术被认为是一种绿色可持续发展战略。尽管半导体光催化反应比生物光合作用具有许多优势，但其效率仍然受到低电荷分离效率和有限的光吸收能力的限制。因此，探索高效的人工光合作用技术，实现CO2的还原和转化，已成为缓解能源危机和温室效应的重要研究方向。
图1 展示了Nb2O5/W18O49异质结纳米纤维制备步骤
该研究中，采用静电纺丝技术结合后续的煅烧过程设计了一种具有丰富介孔结构的Nb2O5纳米纤维网毡膜作为基底，并在其纤维表面原位生长W18O49纳米片，构建了一种新型Nb2O5/W18O49 S型异质结纳米纤维光催化材料。值得注意的是，此异质结纳米纤维在无需添加空穴牺牲剂的条件下，展现出了卓越的气固相光催化CO2还原性能及优异的稳定性。得益于局域表面等离子体共振效应，该光催化剂的光吸收范围得到了显著扩展。同时，结合实验测试与理论计算的综合分析，进一步揭示了光激发电子的转移路径遵循S型机制。此外，原位FT-IR光谱揭示了光反应机理，并鉴定了产物形成的关键中间体。本研究成果凸显了纳米纤维异质结光催化剂在推动高效人工光合作用、生产有价值能源方面的巨大潜力和应用前景。该文章第一作者为辽宁大学2024级原子与分子物理博士研究生王彦欣，通讯作者为物理学院陶然老师和杨全占副教授。
图2 展示了Nb2O5/W18O49异质结纳米纤维气固相光催化CO2还原性能、空白对照实验、量子产率性能、稳定性测试，还展示了与最近文献报道的性能比较，以及通过原位FT-IR光谱检测异质结纳米纤维CO2光转化反应的中间体。