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蘭大Nano-Micro Lett.: 加上靜電場，性能大增強！靜電場助力BiVO4納米線光催化CO2轉(zhuǎn)化

光催化CO₂還原能夠減少大氣中CO₂濃度并且產(chǎn)生高附加值的產(chǎn)物，其受到人們越來越多的關(guān)注。然而，光催化體系中光生載流子的復(fù)合嚴(yán)重阻礙了光催化劑的能量轉(zhuǎn)換效率，從根本上解決光生載流子的分離和轉(zhuǎn)移問題至關(guān)重要。

基于此，蘭州大學(xué)韓衛(wèi)華、Zhen Cao和謝明政等選擇(010)面暴露的BiVO₄納米線作為光催化劑，極化的多晶PZT晶片用作壓電基板，通過從光催化劑頂部向壓電基板施加應(yīng)力而產(chǎn)生靜電場以在空間中分離光生空穴和光生電子來抑制光催化劑中光生載流子的復(fù)合。

實驗結(jié)果表明，PZT襯底頂部產(chǎn)生的負(fù)靜電場顯著提高了BiVO₄納米線的光催化CO₂還原性能。施加靜電場后，CO和CH₄的產(chǎn)率都得到了提高，具體而言，在9 g石英玻璃的應(yīng)力下，CO和CH₄生成速率分別達(dá)到1.37 μmol cm^-2 h^-1和2.41 μmol cm^-2 h^-1。

此外，靜電場也促進(jìn)了BiVO₄的活性，BiVO₄在4個周期下性能很少衰減。在應(yīng)力下，BiVO₄納米線在400 nm的IPCE值從4.74%提高到26.99%，同時，表觀量子產(chǎn)率可以達(dá)到0.59%。

機理實驗和密度泛函理論(DFT)計算表明，靜電場對光生載流子的傳輸行為有三種影響：

首先，電位梯度為光生空穴和光生電子的分離和轉(zhuǎn)移提供了驅(qū)動力，顯著抑制了它們的復(fù)合。其次，光生載流子在降低其電勢后變得更有活力，這增加了它們逃離表面缺陷捕獲和進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的活性。最后，電場還會促進(jìn)極化分子或基團(tuán)在光催化劑表面的吸附，極大地促進(jìn)了產(chǎn)物的選擇性。

另外，對于富含O空位的BiVO₄納米線，在熱力學(xué)上CO₂分子將被吸收在與O空位相鄰的V原子上，當(dāng)施加外部靜電場時，CO₂和CH₄的吸附能很少改變。然而，CO的吸附能提高了約30%。該工作提出了一種改善光催化系統(tǒng)中光載流子分離/轉(zhuǎn)移動力學(xué)的有效策略，這也將為光伏和光電檢測設(shè)備提供有利的參考。

Electrostatic Field Enhanced Photocatalytic CO₂ Conversion on BiVO₄ Nanowires. Nano-Micro Letters, 2021. DOI: 10.1007/s40820-021-00749-6

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蘭大Nano-Micro Lett.: 加上靜電場，性能大增強！靜電場助力BiVO4納米線光催化CO2轉(zhuǎn)化

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