可见光-近红外光驱动的Cs3Bi2Br9/Bi19Br3S27 Z型异质结光催化CO2还原新策略

为解决传统Cs3Bi2Br9光催化剂近红外光响应不足的问题，研究人员通过原位生长构建Cs3Bi2Br9/Bi19Br3S27 Z型异质结，实现CO2-to-CH4转化效率提升124倍，为无铅钙钛矿光催化设计提供新范式。

　　

随着化石燃料消耗加剧，CO₂减排与清洁能源转换成为全球性挑战。光催化技术能将CO₂转化为甲烷（CH₄）等高附加值燃料，但传统铅基钙钛矿存在毒性问题，而无铅铋基材料如Cs₃Bi₂Br₉虽具安全性优势，却受限于可见光吸收范围窄（仅占太阳光谱43%），无法有效利用近红外光（占52%）。如何拓展光响应范围并提升载流子分离效率，成为该领域的关键瓶颈。

针对这一挑战，中国研究人员通过精准设计Cs₃Bi₂Br₉/Bi₁₉Br₃S₂₇ Z型异质结，利用Bi₁₉Br₃S₂₇的窄带隙特性（1.7 eV）实现近红外光捕获，并通过原位生长构建原子级接触界面，形成强内置电场（IEF），使CH₄产率较单一组分最高提升124倍。该成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》，为无铅钙钛矿光催化剂开发提供了界面工程新思路。

研究采用溶热法合成海胆状Bi₁₉Br₃S₂₇模板，通过原位结晶使Cs₃Bi₂Br₉在其表面外延生长。借助X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）确认异质结结构，紫外-可见-近红外漫反射光谱（UV-vis-NIR DRS）验证光响应范围扩展至1400 nm。电化学阻抗谱（EIS）和表面光电压谱（SPV）证实界面电荷转移效率提升。

Results and discussion

1. 材料表征显示异质结具有5%的低晶格失配率，Cs₃Bi₂Br₉在Bi₁₉Br₃S₂₇表面呈现外延取向生长特征，界面处存在Bi-Br化学键合。
2. 光电测试表明异质结的载流子分离效率较单一组分提升8.3倍，内置电场强度达2.1×10⁵ V/m。
3. 在模拟太阳光下（λ≥420 nm），CH₄产率达到28.7 μmol·g^-1·h^-1，选择性达91.2%，且经过5次循环后活性保持95%。

Conclusions
该研究通过原子级界面调控实现了三大突破：（1）首次将铋基钙钛矿光响应拓展至近红外区；（2）阐明了Z型机制中IEF促进*CHO中间体形成的路径；（3）创制的异质结性能超越已报道的Cs₃Bi₂I₉/CeO₂等体系。这不仅为太阳能全光谱利用提供新方案，其界面耦合策略对光电催化、光伏等领域均有借鉴意义。

CRediT authorship contribution statement
Zhihong Liu通过实验设计验证了异质结的构效关系，Jin Wang和Zhengquan Li指导了能带结构调控策略。团队特别指出，Bi₁₉Br₃S₂₇表面Br空位可作为电子陷阱进一步提升CO₂吸附能力，这将成为后续研究重点。