Conduction Band and Defect Engineering for the Prominent Visible‐Light Responsive Photocatalysts

原子轨道 材料科学 悬空债券 堆积 光催化 电子 化学物理 导带 离子 光化学 纳米技术 光电子学 硅 化学 催化作用 物理 量子力学 有机化学 生物化学
作者
Akira Yamakata,Kosaku Kato,T. Ogawa,Kanta Ogawa,Makoto Ogawa,Daichi Kato,Chengchao Zhong,Akihide Kuwabara,Ryu Abe,Hiroshi Kageyama
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
被引量:2
标识
DOI:10.1002/anie.202419624
摘要

Controlling trap depth is crucial to improve photocatalytic activity, but designing such crystal structures has been challenging. In this study, we discovered that in 2D materials like BiOCl and Bi4NbO8Cl, composed of interleaved [Bi2O2]2+ and Cl- slabs, the trap depth can be controlled by manipulating the slab stacking structure. In BiOCl, oxygen vacancies (VO) create deep electron traps, while chlorine vacancies (VCl) produce shallow traps. The depth is determined by the coordination around anion vacancies: VO forms strong σ bonds with Bi-6p dangling bonds below the conduction band minimum (CBM), while those around Cl are parallel, forming weak π-bonding. The strong re-hybridization makes the trap depth deeper. In Bi4NbO8Cl, VCl also creates shallow traps, but VO does not produce deep traps although Bi-6p orbitals are also forming strong σ bonding. This difference is attributed to the difference of energy level of CBM. In both cases, CBM consists of Bi-6p orbitals extending into the Cl layers. However, these orbitals are isolated in BiOCl, but those in Bi4NbO8Cl are bonded with each other between neighboring [Bi2O2]2+ layers. This unique bonding-based CBM prevents the formation of deep electron traps, and significantly enhances H2 evolution activity by prolonging lifetime of highly reactive free electrons.
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