低效的电荷分离和具有动力学挑战性的界面反应严重阻碍了光催化CO₂还原。通过将非贵重助催化剂与半导体相结合，对于优化这些工艺至关重要。

近日，南京大学闫世成教授，杭州电子科技大学钟家松副教授，裴浪报道了一种在TaON颗粒上原位生长岛状石墨烯（TaON@G）的分步策略，为可见光驱动的CO₂还原提供一种优良的光催化剂。

文章要点

1）研究人员首先通过水饱和氨氮化路线合成了TaON颗粒，然后以硝酸镍（Ni(NO₃)₂）和硼氢化钠（NaBH₄）为前驱体，采用湿化学法在TaON表面修饰非晶态Ni(OH)₂层，形成具有核−壳层的TaON@Ni(OH)₂。随后，将制备的TaON@Ni(OH)₂用于以氩气、H₂、CH₄和C₆H₅N混合气体为碳源和氮源的CVD工艺。在CVD的还原气氛中，非晶态Ni(OH)₂首先还原成Ni纳米颗粒，然后在这些Ni颗粒上成功地包覆了几层层状石墨烯壳层（5−7层），生成了层次化TaON@Ni@G复合材料。最后，在保留空心石墨烯纳米结构的同时，研究人员进行酸浸以去除不需要的Ni金属，成功得到分级TaON@G杂化材料。

2）研究发现，TaON@G光催化剂具有紧密的接触界面，合适的界面能级以加速电荷分离，具有有利于吸附CO₂的岛状空心纳米结构石墨烯，以及具有空间分隔的活性位点以激活CO₂和促进质子释放的层次化结构。

3）实验结果显示，优化后的TaON@G催化剂在可见光驱动下CO₂转化为CH₄的产率达到1.61 mol g^-1 h^-1，比原始TaON催化剂提高近13倍，表现优于大多数钽基氮化物催化剂。

4）密度泛函理论（DFT）计算结果进一步阐明了TaON@G催化剂优异活性的来源，TaON与石墨烯通过TaON向石墨烯的电荷转移发生了强烈的相互作用，诱导形成了富电子石墨烯，使得石墨烯的费米能级显著上移，进而导致具有高填充率的反键轨道，从而削弱了吸附CO₂的C=O键的断裂。

该研究工作突出了合理设计分层光催化，以协同地整合催化剂结构和功能优势以最大化催化性能的重要性。

Lang Pei, et al, In Situ-Grown Island-Shaped Hollow Graphene on TaON with Spatially Separated Active Sites Achieving Enhanced Visible-Light CO₂ Reduction, ACS Catal. 2020

DOI: 10.1021/acscatal.0c03918

https://dx.doi.org/10.1021/acscatal.0c03918