Visible-Light-Responsive Sillén-Structured Mixed-Cationic CdBiO2Br Nanosheets: Layer Structure Design Promoting Charge Separation and Oxygen Activation Reactions

Průzkum nových vrstevnatých strukturovaných materiálů má význam ve více polích, např. Katalýza, skladování energie a přeměna atd. V této práci vyvíjíme silylově strukturovaný směsný kationtový vrstvený katalyzátor CdBiO2Br, který reaguje na viditelné světlo, založený na typický silanem strukturovaný BiOBr a nejprve navrhnout konstrukci vrstvové konstrukce jako novou taktiku pro podporu oddělení náboje a aktivačních reakcí kyslíku. Odlišný od BiOBr, který je charakterizován vrstvou [Bi2O2] (2+) a prokládanými dvojitými deskami Br, krystalová struktura CdBiO2Br obsahuje vrstvu [CdBiO2] (+) a zabalenou jednotlivou Br-slice, čímž se zúžení mezery vrstvy od 8,11 do 6,23 angstrom. Zásadně snížená vzdálenost mezi vrstvami drasticky zkracuje difuzní dráhy fotogenerovaných elektronů (e (-)) a otvorů (h (+)) v CdBiO2Br, což umožňuje příznivou migraci nosičů z objemu na povrch katalyzátorů. CdBiO2Br využívá výhodu této strukturní výhody a poskytuje vynikající schopnost aktivace kyslíku viditelným světlem při vývoji superoxidových radikálů (O-center dot (2) -) a hydroxylových radikálů ((OH) -O-center dot) podobně jako 2,4 a 14,1 násobek BiOBr. Výpočty DFT zjistí, že CdBiO2Br má menší efektivní hmotnost pro e (-) a h (+) než BiOBr a mezitím má významný rozdíl v příslušné pohyblivosti e (-) a h (+), což svědčí o efektivní mobilitě a separaci poplatku dopravce. Konkrétně, h (+) účinná hmotnost CdBiO2Br je pouze jedna třetina v BiOBr, což dobře odpovídá mnohem vyšší rychlosti generování CdBiO2Br (OH) -O centra. Naše práce nejenže vystavuje vrstevnatý materiál viditelného světla pro chemii životního prostředí / biochemii, ale také odhaluje obrovský potenciál manipulace s krystalovou strukturou při řízení chování přenosu náboje a fotochemických (elektrochemických) vlastností.JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C Exploration for new layered-structured materials is of significance in multiple fields, e.g., catalysis, energy storage, and conversion, etc. In this work, we develop a visible-light-responsive Sillen-structured mixed-cationic layered catalyst CdBiO2Br based on the typical Sillen-structured BiOBr, and first propose layer structure design as a novel tactic for promoting charge separation and oxygen activation reactions. Differing from BiOBr characterized by [Bi2O2](2+) layer and interleaved Br- double slabs, the crystal structure of CdBiO2Br comprises the [CdBiO2](+) layer and interbedded single Br- slice, rendering a narrowed interlayer spacing from 8.11 to 6.23 angstrom. The largely reduced interlayer distance drastically shortens the diffusion paths of photogenerated electrons (e(-)) and holes (h(+)) in CdBiO2Br, allowing favorable migration of carriers from bulk to the surface of the catalysts. Profiting from this structural advantage, CdBiO2Br presents a superior visible-light driven oxygen activation ability in evolution of superoxide radicals (O-center dot(2)-) and hydroxyl radicals ((OH)-O-center dot), with a production rate of similar to 2.4 and 14.1 times that of BiOBr, respectively. DFT calculations unearth that CdBiO2Br has smaller effective masses for both e(-) and h(+) than BiOBr, and meanwhile bears a significant difference in the respective mobility of e(-) and h(+), indicative of efficient mobility and separation of carrier charge. In particular, the h(+) effective mass of CdBiO2Br is merely one-third of that in BiOBr, corresponding well to the far higher (OH)-O-center dot generation rate of CdBiO2Br. Our work not only exposes a visiblelight-active layered material for environmental chemistry/biochemistry applications but also discloses the huge potential of crystal structure manipulation in governing the charge transport behavior and photo(electro)chemical properties