文献分享丨Small杂志 | 北京化工大学王洁欣课题组：超重力加强异质结内建电场强度，实现高效CO₂光转换
2025年7月，国际知名学术期刊Small在线刊发了北京化工大学王洁欣教授团队在光催化二氧化碳（CO₂）转化领域的突破性研究成果。该研究创新性地利用超重力技术强化了异质结材料的内建电场强度，显著提升了CO₂光催化转化的效率。论文的第一作者为郭赛男，通讯作者为王洁欣教授。
本研究独辟蹊径，创新性地引入超重力旋转填充床（RPB）技术，借助该技术对界面接触的强化作用以及对电荷转移动力学的积极调控，成功达成了 Cs₃Bi₂Br₉/TiO₂ 异质结的瞬间连续构建。经此技术处理后，异质结的内置电场强度显著提升至原来的 2.3 倍，表面电荷密度也大幅提高到 1.8 倍。
所制备的异质结在 CO₂ 还原反应中表现卓越，展现出高达 259 μmol·g⁻¹·h⁻¹ 的还原活性，相较于传统制备方法所得到的异质结，其活性提升了 1.5 - 6 倍之多。深入探究其作用机理发现，这一优异性能得益于超重力诱导形成的高质量界面，该界面有效促进了载流子的分离与传输。
值得一提的是，此策略在多种半导体体系（如 ZnO、CuO 等）中均展现出良好的普适性，为光催化异质结的制备开辟了全新的思路与范式。
图 1 呈现了不同样品的 HRTEM 图像，具体包括：a) TiO₂、b) CBB、c) ST-CBB/TiO₂ 以及 d) RPB-CBB/TiO₂。此外，还通过 e) ST 和 f) RPB-CBB/TiO₂ 的几何相位分析（GPA）计算了应变 xx。同时，图 g) 展示了 RPB-CBB/TiO₂ 中 Cs、Bi、Br、Ti 和 O 元素的高角环形暗场图像以及能量色散 X 射线元素映射情况。
为精准量化评估内置电场（BIEF）的强度，研究采用了表面电压（Vs）和电荷密度（ρ）这两个关键参数。实验结果显示，RPB - CBB/TiO₂的zeta电位为 - 6.44 mV，其表面电压（Vs）分别是ST样品的1.8倍和3倍。基于此数据计算得出，RPB - CBB/TiO₂的BIEF强度提升了2.3倍（相关数据见图4a - c）。这一显著增强的BIEF有力地促进了电荷的分离过程。
进一步从光致发光特性来看，RPB异质结展现出更低的稳态光致发光（PL）强度（见图4d），同时时间分辨光致发光（TRPL）寿命也更短，仅为0.16 ns，而ST样品的TRPL寿命为0.17 ns（见图4e）。这表明，RPB异质结中紧密的界面结构加速了电子的转移过程，并有效抑制了电子 - 空穴对的复合。
从功函数的角度分析，CBB的功函数（Φ = 3.82 eV）与TiO₂的功函数（Φ = 4.22 eV）存在差异，这一差异驱动电子从TiO₂流向CBB，进而形成了定向的BIEF（见图4f）。在光激发下，光生电子富集于CBB，用于还原CO₂；而空穴则集中于TiO₂，参与氧化反应，由此构建起了一条高效的电荷转移路径。
综上所述，本研究成功开创了一种瞬时且连续的超重力辅助合成策略，旨在精心设计具备增强型内置电场（BIEF）的异质结光催化剂，成功实现了基于Cs₃Bi₂Br₉（CBB）的异质结构中界面电子的高效转移。
在该策略中，借助旋转填充床（RPB）装置所产生的强大剪切力以及显著增强的传质效果，极大地优化了CBB/TiO₂异质界面的构建过程。与传统的类似材料相比，经此策略制备的材料展现出诸多显著优势：其内置电场强度大幅提升，达到原来的2.3倍；表面电荷密度提高1.8倍；在CO₂光还原反应中，还原率高达259 μmol·g⁻¹·h⁻¹，相较于原始的CBB和TiO₂，分别提升了3.6倍和6.0倍。
深入探究其作用机理发现，该材料性能的显著提升主要归因于协同增强的内置电场放大效应，以及在工程化界面上加速的电荷输运动力学。为进一步验证该合成策略的通用性，研究团队还将其应用于CBB/ZnO（BIEF增强1.92倍）和CBB/CuO（BIEF增强2.04倍）体系，结果充分证明了该方法在异质结设计领域具有广泛的适用性和巨大的发展潜力。
除了在光催化领域展现出卓越性能外，这一超重力合成平台还为开发界面工程在先进功能材料制备中起关键作用的新途径开辟了道路，尤其在能量转换与存储技术等相关领域，具有广阔的应用前景和重要的科学价值。
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