钽掺杂Bi4NbO8Cl通过极化诱导电荷分离提升CO2光催化还原效率

针对光生电荷分离效率低制约CO2光催化还原性能的难题，研究人员通过熔盐法制备Ta/Sb/V掺杂BiNbO8Cl催化剂，利用NbO6八面体局部电荷重构构建极化电场。其中5%Ta掺杂样品在纯水中CO/CH4产率达0.24/0.03 μmol/(g·h)，较未掺杂样品提升12/1.9倍。PFM和原位FTIR证实极化电场促进电荷分离并揭示*COOH等关键中间体，为设计高效CO2转化催化剂提供新思路。

　　

随着工业社会快速发展，化石燃料过度消耗导致的能源危机与CO₂排放引发的气候变化已成为全球性难题。半导体光催化技术因其温和反应条件、太阳能驱动等优势，被视为实现CO₂资源化利用的理想途径。然而该技术面临的核心瓶颈在于光生电子-空穴对的高效分离，传统异质结构建或缺陷工程策略往往受限于界面复合中心形成或空间电场强度不足。

北京林业大学的研究团队在《Journal of Environmental Sciences》发表的研究中，创新性地采用极化场工程策略，通过熔盐法合成Ta/Sb/V掺杂的Bi₄NbO₈Cl光催化剂。研究通过取代NbO₆八面体中的Nb位点诱导局部电荷不对称分布，构建强极化电场驱动电荷定向分离。实验证实5%Ta掺杂样品在纯水体系中CO和CH₄产率分别达到0.24和0.03 μmol/(g·h)，较未掺杂样品提升12倍和1.9倍。

研究主要采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，压电力显微镜(PFM)表征压电响应强度，电化学阻抗谱(EIS)评估电荷传输性能，以及原位傅里叶变换红外光谱(in situ FTIR)追踪反应中间体。通过对比不同掺杂浓度样品的性能差异，结合理论计算阐明极化电场增强机制。

【材料合成】部分显示，通过精确控制Ta掺杂浓度（1%-7%），发现5%掺杂量可最大化(004)晶面衍射峰位移（0.16°），表明晶格畸变达到最优平衡。

【催化剂表征】结果显示：1）PFM证实Ta掺杂样品具有更强的压电响应（振幅提升3倍），验证极化电场增强；2）莫特-肖特基测试显示Ta掺杂使平带电位负移0.21 V，促进CO₂还原动力学；3）瞬态光电流响应提高4.5倍，表明电荷分离效率显著改善。

【结论】部分指出，该研究首次在Sillén-Aurivillius结构的[Bi₂O₂]-[NbO₄]层间实现正交极化场（面内NbO₆畸变与面外Bi³⁺孤对电子协同）调控，使载流子迁移速率提升至皮秒级。原位FTIR捕获到COOH→CO→CHO→OCH₃的反应路径，为理解CO₂→CH₄的8电子转移过程提供直接证据。

这项研究的意义在于：1）建立"原子取代-晶格畸变-极化电场-催化活性"的定量构效关系；2）突破传统异质结的空间电荷区限制，实现体相到表面的全程电荷定向输运；3）为开发不依赖贵金属助催化剂的CO₂转化体系提供新思路。该成果对发展"双碳"目标下的负排放技术具有重要指导价值。