无铅钙钛矿突破：Z型异质结让二氧化碳变废为宝效率提升3倍

面对全球能源需求增长与碳排放压力，将二氧化碳转化为高附加值化学品成为科学界追逐的目标。西安交通大学团队研发的一种新型Z型异质结光催化剂，通过将零维Cs₃Bi₂I₉纳米颗粒原位生长于一维WO₃纳米棒上，在可见光下实现二氧化碳还原制一氧化碳的选择性高达98.7%，产率提升至原始材料的3倍，为太阳能驱动碳循环提供了新思路。

痛点突破：无铅钙钛矿的“聚合困境”与“氧化短板”

传统铅基钙钛矿虽具有优异的光电性能，但铅的毒性和材料不稳定性限制了其实际应用。铋基无铅钙钛矿Cs₃Bi₂I₉虽环境友好，却存在易团聚、电荷迁移率低、水氧化能力不足三大瓶颈。单独使用时，其光催化CO₂还原效率仅为5.5 μmol/(g·h)，且无法完成水氧化反应，导致整个催化过程难以持续。

技术核心：0D/1D异质结巧解“电荷分离难题”

研究团队创新性地采用原位生长法，将零维Cs₃Bi₂I₉纳米颗粒（约10纳米）均匀负载于一维WO₃纳米棒（长度1-2微米）表面，形成独特的点线复合结构。

扫描电镜图像显示，复合后的Cs₃Bi₂I₉分散度显著提升，避免了团聚现象。更关键的是，两种材料间存在-47.06 mV（Cs₃Bi₂I₉）与+23.26 mV（WO₃）的电位差，通过静电吸附作用自发形成紧密界面。

Z型机制：电子“接力跑”实现能级双赢

通过原位X射线光电子能谱分析，团队揭示了异质结的电荷转移路径：在黑暗条件下，电子从Cs₃Bi₂I₉流向WO₃以实现费米能级平衡；光照下，WO₃产生的电子反向流动至Cs₃Bi₂I₉，与其空穴复合。这种Z型转移机制既保留了Cs₃Bi₂I₉的强还原能力（-0.84 eV），又利用了WO₃的氧化能力（2.32 eV），完美实现CO₂还原与水氧化的协同进行。

性能飞跃：CO产率突破16.5 μmol/(g·h)

在420纳米可见光照射下，优化比例的CBI/WO₃-15%复合材料表现出卓越性能：CO产率达到16.5 μmol/(g·h)，为纯Cs₃Bi₂I₉的3倍，且CO选择性高达98.7%，仅产生微量甲烷。对比物理混合样品（7.2 μmol/(g·h)），原位生长形成的紧密异质结优势明显。

稳定性测试显示，材料在连续3轮3小时反应后活性未衰减，X射线衍射谱证明其晶体结构保持完整。同位素标记实验进一步证实，产物CO源自¹³CO₂，O₂源自H₂¹⁸O，反应路径清晰。

应用前景：为太阳能燃料工厂铺路

该研究为无铅钙钛矿的光催化应用提供了新范式。0D/1D结构不仅缓解了纳米颗粒团聚问题，Z型能带设计更突破了单一材料氧化还原能力不足的限制。未来通过优化界面工程和规模化制备工艺，这类材料有望在太阳能驱动的碳中和技术中发挥关键作用。