Ti3C2量子点桥联CsPbBr3/多面体Bi2O2CO3异质结：内建电场驱动的高效光催化NO/CO2协同转化

研究人员针对光催化NO氧化与CO2还原的协同反应效率瓶颈，构建了Ti3C2量子点桥联的CsPbBr3/多面体Bi2O2CO3Z-Scheme异质结。该体系通过暴露{001}晶面诱导自建内建电场（IEF），结合量子点介导的高通量电荷转移，实现71.5%的NO去除率（NO3-选择性91.7%）和23.1 μmol g-1 h-1的CO产率，为大气污染物治理与碳循环提供了新策略。

　　

论文解读：

当前，化石燃料燃烧释放的NO和CO₂已成为威胁大气环境与生态平衡的双重难题。NO会引发酸雨和光化学烟雾，而CO₂过量排放加剧温室效应。尽管半导体光催化技术被视为解决这些问题的潜在方案，但单一组分催化剂普遍面临载流子分离效率低、光吸收范围窄等挑战。尤其值得注意的是，现有研究多聚焦于单一污染物转化，而自然界中NO与CO₂往往共存，亟需开发能同步处理两者的协同催化体系。

针对这一科学难题，清华大学分析中心的研究团队创新性地设计了一种三元复合光催化剂。他们选择具有独特层状结构的Bi₂O₂CO₃作为NO氧化活性中心，其暴露的{001}晶面可自发形成内建电场（IEF）；同时引入窄带隙钙钛矿CsPbBr₃作为CO₂还原位点；二者通过Ti₃C₂量子点（QDs）桥接，构建出高效的Z-Scheme电荷转移通道。该研究成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，为复杂环境问题的协同治理提供了新思路。

研究团队主要采用三项关键技术：水热法合成具有{001}晶面暴露的3D花状Bi₂O₂CO₃微球，液相剥离制备Ti₃C₂量子点，以及原位组装构建三元异质结。通过同步辐射光电子能谱（SRPES）和开尔文探针力显微镜（KPFM）证实了界面电荷极化现象，瞬态吸收光谱（TAS）揭示了载流子寿命的显著延长。

Facet and heterostructure structural advantages
电镜分析显示，Bi₂O₂CO₃的层状花瓣结构可实现光线多重散射，使其可见光吸收效率提升2.3倍。选区电子衍射（SAED）证实{001}晶面占比达78%，这些晶面通过不对称极化产生强IEF（12.6 kV/cm），促进空穴向表面迁移。

Interfacial charge transfer mechanism
X射线光电子能谱（XPS）显示Ti₃C₂ QDs与两组分均形成Ti-O-Bi和Ti-Br键，密度泛函理论（DFT）计算证实其作为"电子高速公路"使界面电荷转移速率提高4倍。原位红外光谱捕捉到关键中间体CO₂^*-和NO₂^-，验证了Z-Scheme机制。

Photocatalytic performance
在可见光下，该体系NO去除率（71.5%）较单一Bi₂O₂CO₃提高2.1倍，且抑制了有毒副产物NO₂生成（仅35.4 ppb）。CO₂还原产物中CO选择性达85.7%，CH₄产率3.8 μmol g^-1 h^-1。连续5次循环后活性保持92%，展现出优异稳定性。

这项研究通过晶面工程与量子点介导的协同策略，实现了光催化氧化还原反应的时空耦合。其重要意义在于：首次将钙钛矿与铋基材料通过MXene量子点桥接，创制了兼具高活性和选择性的双功能催化剂；提出的IEF增强型Z-Scheme机制为复杂反应体系的设计提供了普适性方法；所开发的材料在工业废气处理与碳中和领域具有明确应用前景。正如通讯作者Yongfa Zhu指出，该工作"建立了晶面调控异质结在先进光催化中的新范式"。