双杂原子共掺杂量子点协同效应提升光催化CO2还原性能的机制研究

针对量子点(QDs)光催化CO2还原效率低的问题，研究人员通过Se2-/Ga3+共掺杂CdS QDs，使CO产率提升至38.10 μmol h?1（较纯CdS提高20倍），并揭示双掺杂通过抑制电子-空穴复合、降低*COOH中间体能垒的协同机制，为设计高效光催化剂提供新思路。

　　

随着全球气候变化加剧，将CO₂转化为可再生碳燃料的光催化技术成为研究热点。半导体量子点(QDs)因其可调带隙和短电荷扩散路径等特性被广泛关注，但纯QDs存在光生载流子复合率高、CO₂还原动力学缓慢等瓶颈。尽管单原子掺杂可部分改善性能，双杂原子协同效应的机制尚不明确。

宁波大学的研究团队在《Journal of Catalysis》发表研究，通过Ga/Se共掺杂CdS QDs，将CO产率从2.0 μmol h^?1提升至38.10 μmol h^?1，并系统阐明了双掺杂的协同作用机制。研究采用瞬态荧光光谱、原位傅里叶变换红外光谱(in-situ FTIR)和密度泛函理论(DFT)计算相结合的方法，发现Se掺杂优化电子结构，Ga掺杂提供活性位点，二者协同抑制电子-空穴复合，并将关键中间体*COOH的形成能垒降低1.8 eV。

Results and discussion

1. 材料表征：通过ICP测定Se含量（1.2-3.5 wt%），XPS证实Ga³⁺成功掺入CdS晶格，UV-Vis显示掺杂后吸收边红移35 nm。
2. 性能测试：Ga/Se-CdS的CO选择性达90.41%，较纯CdS提升11.28%，且稳定性超过5次循环。
3. 机制分析：瞬态荧光寿命从4.2 ns延长至9.8 ns，证明载流子分离效率提升；DFT计算显示*COOH在Ga位点的吸附能降低至-0.42 eV。

Conclusions
该研究首次揭示双杂原子掺杂通过"电子结构调控-活性位点创建"的双重作用机制：Se^2-取代S^2-拓宽价带宽度，Ga³⁺作为电子陷阱促进CO₂吸附活化。这种协同效应使表观量子效率达到8.7%，为设计高效光催化剂提供了新范式。研究结果对实现"双碳"目标具有重要应用价值。