A DFT Study on S-Scheme Heterojunction Consisting of Pt Single Atom Loaded G-C3N4 and BiOCl for Photocatalytic CO2 Reduction

Cheng Luo Qing Long Bei Cheng Bicheng Zhu Linxi Wang

Citation:  Cheng Luo, Qing Long, Bei Cheng, Bicheng Zhu, Linxi Wang. A DFT Study on S-Scheme Heterojunction Consisting of Pt Single Atom Loaded G-C3N4 and BiOCl for Photocatalytic CO2 Reduction[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(6): 221202. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212026 shu

Pt-C3N4/BiOCl S型异质结应用于光催化CO2还原的理论计算研究

    通讯作者: 朱必成, zhubicheng1991@163.com
    王临曦, linxiwang91@126.com
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2022YFB3803600

    国家重点研发计划 2022YFE0115900

    国家自然科学基金 22238009

    国家自然科学基金 51932007

    国家自然科学基金 52173065

    国家自然科学基金 21905219

    国家自然科学基金 22208332

    国家自然科学基金 22278324

    湖北省自然科学基金 2022CFA001

    中国博士后科学基金 2022M710137

    武汉理工大学自主创新研究基金 2022-CL-A1-01

摘要: 光催化CO2还原制备可再生的碳氢燃料为缓解温室效应、解决能源短缺问题提供了一个可行的办法。然而,单一组分光催化剂的CO2还原活性非常低。一是因为光生载流子的快速复合导致光子效率很低。二是因为CO2的活化需要较高的能垒。对此,研究人员作出了许多改进以提高CO2还原性能。例如,发展S型异质结可以增强载流子的分离和光催化剂的氧化还原能力,引入金属单原子助催化剂可以优化反应热力学。因此,协同利用S型异质结和金属单原子修饰将能同时促进载流子的转移和CO2还原反应过程。本文构建了由单原子Pt负载的g-C3N4和BiOCl组成的Pt-C3N4/BiOCl异质结模型。用密度泛函理论计算研究了其光催化性能,包括几何结构和电子性质的探索、CO2转化过程的模拟。差分电荷密度结果表明g-C3N4中的电子转移至BiOCl,这是由于g-C3N4的费米能级比BiOCl的费米能级高。由此在g-C3N4/BiOCl异质结的界面处形成了由g-C3N4指向BiOCl的内建电场。在光照下,g-C3N4/BiOCl复合物中载流子的转移路径符合S型机制。具体而言,BiOCl导带的光生电子与g-C3N4价带的光生空穴复合,而g-C3N4导带的电子与BiOCl价带的空穴得以保留。在g-C3N4的空隙中添加Pt原子后,g-C3N4的功函数减小,由此增大了g-C3N4和BiOCl的费米能级差异。结果,有更多的电子从Pt-C3N4转移至BiOCl,内建电场的强度增大。这有利于Pt-C3N4/BiOCl S型异质结的电荷转移。此外,反应自由能计算结果表明,g-C3N4/BiOCl异质结上CO2还原反应的限速步骤是CO2氢化生成COOH,其能垒为1.13 eV。Pt原子修饰后,限速步骤变为CO氢化生成HCO,其能垒为0.71 eV。这些结果表明Pt单原子的引入能够增强界面电场、降低能垒,从而提高CO2还原活性。本工作为构建金属原子修饰的S型异质结光催化剂以实现高效的CO2还原提供了理论指导。

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  • 发布日期:  2023-06-15
  • 收稿日期:  2022-12-16
  • 接受日期:  2023-01-11
  • 修回日期:  2023-01-10
  • 网络出版日期:  2023-01-16
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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