近年来，三元二维层状材料因其独特的能带结构和物化性质，引起了材料科学领域研究人员的极大关注。BiOX（X=Cl、Br 、I等）是一类典型的类石墨烯三元二维层状半导体，其中BiOBr在光催化降解、污水处理等方面已经展示出潜在的应用前景。然而，受限于BiOBr的形貌及能带结构，其光解水制氢性能较差。同时光生载流子的快速复合也严重制约了BiOBr光解水制氢的效率。

针对这一问题，凝固技术国家重点实验室冯丽萍教授团队构筑了超薄二维BiOBr纳米片与碳纤维（CFs）的复合结构，提出通过改变BiOBr纳米片与CFs的接触形式改变光生载流子的传输路径，降低光生载流子复合的新思路。该方案通过调控CVD制备工艺，可以使二维BiOBr纳米片与CFs呈现出两种完全不同的接触形式，即BiOBr纳米片平躺在CFs上（BiOBr/C平行结）或BiOBr纳米片垂直插入CFs上（BiOBr/C垂直结）。研究表明，二维BiOBr纳米片与CFs呈肖特基接触，且平行结和垂直结的能带结构被有效调控，两者都具有合适的导带位置，满足光解水制氢的热力学要求。特别地，平行结具有更高的光生载流子产率和更长的电子-空穴对寿命，因而平行结的产H₂速率高达2850 μmol h^-1g^-1，是垂直结的18倍。此外，平行结还表现出优良的全解水特性，H₂和O₂生成速率分别为240 μmol h^-1g^-1和110 μmol h^-1g^-1。本工作系统地分析了两种异质结体系中光生载流子的分离及传输特性，论证了光生载流子从二维BiOBr中产生到分离富集至(001)晶面，再被肖特基势垒作用下输运至CFs活性位点的全过程，揭示了异质结形貌对载流子传输及催化性能的影响机制，为有效降低二维BiOBr光生载流子的复合提供了新的解决方案。

相关研究成果以《High Carrier Separation Efficiency in Morphology Controlled BiOBr/C Schottky Junctions for Photocatalytic Overall Water Splitting》为标题在国际重要期刊《ACS Nano》 (DOI: 10.1021/acsnano.1c02884 )上发表，该研究工作的第一作者为凝固技术国家重点实验室博士生郑孝奇，通讯作者为凝固技术国家重点实验室冯丽萍教授和武汉大学何军教授。本研究获得了国家自然科学基金资助项目(62074130)以及凝固技术国家重点实验室研究基金资助项目(2021-TS-09)的支持，同时感谢西北工业大学分析测试中心提供的设备支持。

图文导读

图1. 形貌结构的表征

图2. 带边的测定: (a-d)原始BiOBr纳米片的UPS光谱，b) CFs, c)平行结和d)垂直结。(e) Uv-DRS光谱。(f)带隙图。(g) Mott-Schottky测试。(h)带边模型图

图3. 产氢性能的测定

图4. 机理的研究

★Zheng, X.; Feng, L.; Dou, Y.; Guo, H.; Liang, Y.; Li, G.; He, J.; Liu, P.; He, J., High Carrier Separation Efficiency in Morphology-Controlled BiOBr/C Schottky Junctions for Photocatalytic Overall Water Splitting. ACS Nano 2021, 15 (8), 13209-13219.

论文链接： https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02884

（供稿：冯丽萍）

（审稿：王俊杰，刘伟）