光催化转化CO2与H2O反应生成燃料或化学品是一种可持续太阳能存储和CO2利用的理想策略.由于CO2还原和H2O氧化的高电位和多重电子传递要求,CO2+H2O反应过程在动力学上是一个缓慢的过程,并且光催化剂仍存在可见光响应范围窄、载流子分离效率低的问题.因此,开发可见光光催化剂实现有效的CO2还原转化仍然极具挑战性.构建异质结是提高光催化剂CO2还原性能的重要途径.单一光催化剂之间以颗粒-颗粒、层-层和核-壳等多种纳米结构进行复合,这样形成的异质结通常以三维(3D)或二维(2D)的结构模型存在于两组分催化剂界面.目前,复合光催化剂的一维(1D)异质结的研究较少.理论上,光催化剂的一维(1D)异质结具有突出的优势,反应物分子能够充分接触到一维(1D)异质结界面的所有原子以提供更多的反应和吸附活性位点,还可以增强异质结效应对光生电子和空穴的高效率分离,从而有效提高光催化性能.
本文采用简单的溶剂热法将W18O49纳米片原位生长在SiC纳米空心球笼上,构建了具有海胆状形貌的S型异质结光催化剂.扫描电镜证明成功合成了海胆状形貌的异质结.N2吸附-脱附和接触角测试结果表明,W18O49纳米片在SiC纳米球笼表面的生长不仅可以增强复合催化剂材料的CO2吸附性能,还可以改变SiC纳米球笼表面的润湿性能,提高其对反应物H2O分子的亲和力.X射线光电子能谱、开尔文探针力显微镜和紫外-可见光谱等表征结果表明,SiC和W18O49之间存在着紧密接触的S型异质结界面,内建电场有助于光生载流子的分离和迁移,从而增强光催化CO2还原性能.该结构催化剂不仅为光催化剂与反应物分子的接触提供了更大的表面积,而且缩短了电子和空穴的扩散路径.这些优势加速了CO2和H2O分子在SiC-W18O49复合光催化剂表面的反应动力学过程.复合光催化剂上快速的H2O分子氧化形成更多的质子,有利于质子参与CO2还原过程.与单一SiC光催化剂主要将CO2还原为CO相比,SiC-W18O49复合材料不仅光催化活性大大提高,而且产物选择性发生了从CO向多质子产物CH4和CH3OH转变的显著变化.SiC-W18O49复合材料的光催化CO2还原生成CO+CH4+CH3OH产物,总产物生成速率可达21.87　μmol　g-1　h-1.综上,复合光催化剂的异质结电子结构和维度结构对光催化CO2还原性能具有重要影响,这对设计高效CO2还原的异质结光催化剂具有重要参考意义.