由化石能源消耗所带来的能源危机和环境问题，尤其是二氧化碳的过度排放引起的全球变暖、冰川融化等系列问题，严重影响人类的可持续发展。因而，寻找可再生清洁能源实现二氧化碳的催化转化与利用迫在眉睫！光催化技术直接利用资源丰富且无任何污染的太阳能将CO₂催化还原为增值产品（如CO、CH₄等），是解决碳排放和能源短缺挑战的一种极具前景的技术。由于C-O键的解离能高达750 kJ·mol⁻¹，CO₂分子（ΔG₀=-394 kJ·mol^-1）特别稳定，光催化还原CO₂的转化效率仍然无法令人满意。值得注意的是，CO₂分子中缺电子的碳原子倾向于与催化剂中富含电荷的活性位点结合。缺陷工程可以有效地优化局部活性位点的电子结构，在解决光催化CO₂还原中光吸收差、电子-空穴分离缓慢和CO₂活化势垒高的问题方面具有决定性作用。

基于以上分析，曹亚丽课题组利用低热固相化学反应通过乙酸分子修饰策略在[001]面暴露的BiOBr纳米片表面构筑了铋缺陷（BiOBr-1），通过原位红外光谱揭示了铋缺陷BiOBr的光催化CO₂转化路径和催化机理。这种独特的修饰方法不仅可减小纳米片的厚度和堆叠程度，进而增加比表面积与催化反应活性位点，而且可利用形成的铋缺陷修复少量的氧空位以使体系缺陷浓度达到平衡，从而可以在禁带中形成缺陷能级，减小带隙能，提高光吸收，同时使导带电位更负，增强光生电子还原能力。此外，铋缺陷引起的悬空键还有利于增强对CO₂分子的吸附并促进质子-电子耦合反应，加速光生载流子的分离。铋缺陷BiOBr-1光催化CO₂转化为CO（71.23μmol g^-1 h^-1）和CH₄（8.90μmol g^-1 h^-1）的产率相比于原始BiOBr分别提高了7.1和11倍。这种在薄层纳米片表面构建缺陷的方法为具有高性能太阳能驱动光催化还原二氧化碳活性的二维光催化剂的设计提供了新思路。

图1  BiOBr、BiOBr-1和BiOBr-2的（a）XRD图和（b）红外谱图;（c）BiOBr和BiOBr-1的电子顺磁共振光谱图和（d）的拉曼光谱图

图2  BiOBr的（a, b）FESEM图和（c）HRTEM图；BiOBr-1的（d-f）FESEM图、（g）TEM图和（h-j）HRTEM图

图3（a）BiOBr和BiOBr-1的氮气吸脱附等温曲线；样品的（b）紫外-可见漫反射光谱和（c）莫特-肖特基曲线；（d）BiOBr、BiOBr-1和BiOBr-2的能带结构图

图4  光照5小时样品催化还原二氧化碳产物（a）CO、（b）CH₄的产量和（c）产率；BiOBr-1的（d）光催化循环测试图；（e）光催化测试前后样品的XRD谱图；（f）BiOBr和BiOBr-1的时间分辨荧光衰减光谱。

图5  BiOBr-1的（a）原位红外光谱图、（b）部分原位红外光谱信号放大图和（c）二氧化碳光还原机理示意图

谢晶，第一作者，新疆大学副教授，2018年毕业于新疆大学化学学院。近年来致力于铋基纳米材料在光压催化和储能方面的应用研究，主持包含国家自然科学基金等纵向科研项目6项，在Green Chem.等期刊发表SCI论文20余篇。

曹亚丽，通讯作者，新疆大学教授，扎根边疆25年，结合区域资源优势和创新发展需求，围绕无机功能材料的合成、性能及构效关系开展研究，取得了系列创新性的研究成果。先后主持包括5项国家自然科学基金在内的科研项目10余项，以第一作者或通讯作者身份在ACS Nano, Appl. Catal. B,Small等国内外重要学术期刊上发表SCI论文百余篇，他引3500余次，授权中国发明专利12件，曾获第九届新疆青年科技奖等多项荣誉。

Xie J, Lu Z, Feng Y, et al. A small organic molecule strategy for remedying oxygen vacancies by bismuth defects in BiOBr nanosheet with excellent photocatalytic CO₂ reduction. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5828-2.