Synergistic Engineering of Oxygen Vacancies and Topological Surface States in Bi₂Te₃/TiO_2-X Heterostructures for Highly Efficient Photothermal-Driven CO₂ Photoreduction

Abstract

Solar-driven photothermal CO₂ reduction into multicarbon (C₂⁺) products represents a promising yet challenging route for sustainable fuel production. A key obstacle remains the inefficient C–C coupling due to poor CO₂ activation and limited charge utilization, especially under full-spectrum light. Herein, we propose a heterojunction photocatalyst that synergistically integrates the topological insulator Bi₂Te₃ with oxygen-doped TiO_2-X to address these challenges. The metallic nature of Bi₂Te₃ enables broad-spectrum photon harvesting from UV to near-infrared and generates substantial photothermal heat, while the oxygen vacancies in TiO_2-X create an asymmetric electronic environment that promotes CO₂ adsorption, bending, and activation. The built-in electric field formed at the heterointerface drives efficient electron transfer from Bi₂Te₃ to TiO_2-X, which suppresses charge recombination and ensures a prolonged electron supply for multistep reduction reactions. Under full-spectrum irradiation without external heating, the optimized Bi₂Te₃/TiO_2-X catalyst achieves a remarkable C₂⁺ production rate of 15.08 μmol g⁻¹ h⁻¹ with selectivity toward C₂H₄ and C₂H₆. Combined photoelectronic measurements and theoretical analyses confirm that the synergistic photothermal–photocatalytic effect and tailored charge dynamics collectively lower the energy barrier for C–C coupling. This work offers a strategic material design leveraging topological insulators and defect engineering for efficient CO₂-to-C₂⁺ conversion.

Keywords

Bi₂Te₃ / C₂⁺ production / CO₂ reduction / photothermal catalysis / TiO_2-X

References

[1] C. Y. Feng, Z. P. Wu, K. W. Huang, J. H. Ye, H. B. Zhang, Adv. Mater. 2022, 34, 2200180.

[2] J. Li, H. L. Huang, W. J. Xue, K. Sun, X. H. Song, C. R. Wu, L. Nie, Y. Li, C. Y. Liu, Y. Pan, H. L. Jiang, D. H. Mei, C. L. Zhong, Nat. Catal. 2022, 5, 463.

[3] C. F. Shih, T. Zhang, J. H. Li, C. L. Bai, Joule 2018, 2, 1925.

[4] S. K. Yin, X. X. Zhao, E. H. Jiang, Y. Yan, P. Zhou, P. W. Huo, Energy Environ. Sci. 2022, 15, 1556.

[5] Z. Sun, X. B. Huang, G. Zhang, J. Clean. Prod. 2022, 381, 135156.

[6] P. Y. Li, Y. M. Liu, D. P. Yan, ChemSusChem 2025, 18, e202401174.

[7] B. W. Zhou, Y. J. Ma, P. F. Ou, Z. W. Ye, X. Y. Li, S. Vanka, T. Ma, H. D. Sun, P. Wang, P. Zhou, J. K. Cooper, Y. X. Xiao, I. A. Navid, J. Pan, J. Song, Z. T. Mi, Nat. Catal. 2023, 6, 987.

[8] M. H. Li, Z. Q. Yang, H. Hui, B. Yang, Y. Wang, Y. W. Yang, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202313358.

[9] D. D. Liu, L. P. Jiang, D. Q. Chen, Z. K. Hao, B. W. Deng, Y. Y. Sun, X. Liu, B. Y. Jia, L. M. Chen, H. T. Liu, ACS Catal. 2024, 14, 5326.

[10] J. S. Li, C. Cao, X. Y. Zhang, H. H. Dong, M. F. Wang, L. Zhang, Z. H. Xing, W. S. Yang, Carbon Energy 2025, 7, e700.

[11] G. X. Ding, C. X. Li, L. H. Chen, G. F. Liao, Energy Environ. Sci. 2024, 17, 5311.

[12] Y. T. Dai, C. Li, Y. B. Shen, T. B. Lim, J. Xu, Y. W. Li, H. Niemantsverdriet, F. Besenbacher, N. Lock, R. Su, Nat. Commun. 2018, 9, 60.

[13] F. Huang, S. N. Liang, R. Y. Zhong, T. Shao, X. Wu, S. W. Liu, Chem. Eng. J. 2025, 514, 163128.

[14] Y. Y. Liu, Q. Y. Ge, T. Wang, K. J. Li, Y. Deng, W. B. You, L. F. Xie, L. W. Zhang, Chem. Eng. J. 2023, 473, 145255.

[15] B. K. Zhang, Y. X. Liu, D. B. Wang, W. He, X. Fang, C. C. Zhao, J. W. Pan, D. H. Liu, S. H. Liu, T. Y. Chen, L. C. Zhao, J. Z. Wang, Sep. Purif. Technol. 2025, 354, 128893.

[16] K. Yan, D. H. Wu, T. Wang, C. Chen, S. J. Liu, Y. G. Hu, C. Gao, H. Y. Chen, B. X. Li, ACS Catal. 2023, 13, 2302.

[17] K. Wang, H. T. Qin, J. Li, Q. Cheng, Y. F. Zhu, H. Y. Hu, J. Peng, S. Q. Chen, G. H. Wang, S. L. Chou, S. X. Dou, Y. Xiao, Appl. Catal. B Environ. 2023, 332, 122763.

[18] J. N. Hong, C. Y. Xu, B. W. Deng, Y. Gao, X. Zhu, X. H. Zhang, Y. W. Zhang, Adv. Sci. 2022, 9, 26.

[19] W. K. Fan, M. Tahir, Chem. Eng. J. 2022, 427, 19.

[20] J. Y. Zeng, X. S. Wang, B. R. Xie, Q. R. Li, X. Z. Zhang, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 1218.

[21] J. Ding, X. F. Shang, Y. M. Zhou, A. Z. Han, F. Zhang, Y. H. Fu, Y. L. Zhang, R. P. Ye, M. H. Fan, S. L. Zhang, Q. Zhong, Nat. Commun. 2025, 16, 11.

[22] S. S. Satter, J. S. Lopez, M. L. Hubbard, Y. Jiang, R. A. Dagle, J. Kothandaraman, Green Chem. 2024, 26, 8242.

[23] X. P. Zhou, J. C. Dong, Y. Zhao, K. Ge, S. Wang, J. Lu, Y. Yang, B. Y. Liu, Y. F. Yang, ACS Sustain. Chem. Eng. 2023, 11, 9255.

[24] X. C. Zhang, X. C. Liu, C. Y. Zhang, S. L. Peng, H. X. Zhou, L. He, J. Gou, X. R. Wang, J. Wang, ACS Nano 2022, 16, 4851.

[25] L. Dong, X. F. Wang, P. Wang, H. G. Yu, J. Mater. Chem. C 2022, 10, 6402.

[26] Y. Wang, W. D. Liu, H. Gao, L. J. Wang, M. Li, X. L. Shi, M. Hong, H. Wang, J. Zou, Z. G. Chen, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 31237.

[27] H. Wang, X. Liu, P. Niu, S. L. Wang, J. Shi, L. Li, Matter 2020, 2, 1377.

[28] M. Aggarwal, S. Basu, N. P. Shetti, M. N. Nadagouda, T. M. Aminabhavi, Chem. Eng. J. 2021, 425, 131401.

[29] J. J. Li, Y. Chen, B. Q. Yao, W. J. Yang, X. Y. Cui, H. L. Liu, S. Dai, S. B. Xi, Z. Y. Sun, W. X. Chen, Y. C. Qin, J. L. Wang, Q. He, C. Y. Ling, D. S. Wang, Z. C. Zhang, J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 5693.

[30] Y. Nie, Y. F. Li, C. An, X. Tan, Z. F. Hu, J. H. Ye, T. Yu, Appl. Catal. B Environ. Energy 2024, 345, 123704.

[31] S. Navarro-Jaén, M. Virginie, J. Bonin, M. Robert, R. Wojcieszak, A. Y. Khodakov, Nat. Rev. Chem. 2021, 5, 564.

[32] W. Gao, H. Q. Chi, Y. J. Xiong, J. H. Ye, Z. G. Zou, Y. Zhou, Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 28.

[33] I. Khan, S. Khan, S. Y. Wu, H. T. Chen, A. Zada, L. L. Liu, A. Ismail, S. Ali, F. Raziq, M. Haider, J. Khan, S. Ullah, S. P. Ju, S. L. Wang, Small 2023, 19, 18.

[34] J. Zhou, H. Liu, H. Q. Wang, Chin. Chem. Lett. 2023, 34, 14.

[35] Y. X. Zhang, H. Liu, D. E. Wang, W. Qu, Z. J. Tian, ACS Catal. 2025, 15, 9749.

[36] Z. R. Xiao, P. Li, H. Zhang, S. L. Zhang, Y. Y. Zhao, J. M. Gu, Z. Y. Lian, G. Z. Li, J. J. Zou, D. S. Wang, J. Colloid Interface Sci. 2024, 672, 642.

[37] H. Y. Sun, Z. S. Lin, R. Tang, Y. H. Liang, S. B. Zou, X. M. Zhang, K. J. Chen, R. K. Zheng, J. Huang, Appl. Catal. BEnviron. Energy 2025, 360, 12.

[38] T. J. Dong, X. Y. Liu, Z. F. Tang, H. F. Yuan, D. Jiang, Y. J. Wang, Z. Liu, X. L. Zhang, S. F. Huang, H. Liu, L. L. Zhao, W. J. Zhou, Appl. Catal. B-Environ. Energy 2023, 326, 11.

[39] D. D. Gao, B. B. Zhao, F. Chen, H. G. Yu, J. J. Fan, J. G. Yu, ACS Sustain. Chem. Eng. 2021, 9, 8653.

[40] M. S. Sokolikova, P. C. Sherrell, P. Palczynski, V. L. Bemmer, C. Mattevi, Chem. Commun. 2017, 53, 8026.

[41] B. K. Zhang, D. B. Wang, S. J. Jiao, Z. K. Xu, Y. X. Liu, C. C. Zhao, J. W. Pan, D. H. Liu, G. Liu, B. J. Jiang, Y. F. Li, L. C. Zhao, J. Z. Wang, Chem. Eng. J. 2022, 446, 137138.

[42] X. N. Chen, L. N. Feng, P. L. Yu, C. Liu, J. L. Lan, Y. H. Lin, X. P. Yang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 5451.

[43] C. C. Zhao, D. B. Wang, J. M. Cao, Z. Zeng, B. K. Zhang, J. W. Pan, D. H. Liu, S. H. Liu, S. J. Jiao, T. Y. Chen, G. Liu, X. Fang, L. C. Zhao, J. Z. Wang, Nano Res. 2024, 17, 1864.

[44] Y. Hosokawa, K. Tomita, M. Takashiri, Sci. Rep. 2019, 9, 7.

[45] X. D. Li, L. Li, G. B. Chen, X. Y. Chu, X. H. Liu, C. Naisa, D. Pohl, M. Löffler, X. L. Feng, Nat. Commun. 2023, 14, 11.

[46] Z. Chen, G. Ding, Z. Wang, Y. Xiao, X. Liu, L. Chen, C. Li, H. Huang, G. Liao, Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2423213.

[47] Z. Chen, D. Yan, X. Wang, G. Ding, Z. Wang, Y. Xiao, X. Liu, P. Wang, L. Chen, L. Shuai, G. Liao, ACS Catal. 2025, 15, 13568.

[48] L. Guo, Z. Yang, K. Marcus, Z. Li, B. Luo, L. Zhou, X. Wang, Y. Du, Y. Yang, Energy Environ. Sci. 2018, 11, 106.

[49] S. H. Yang, W. J. Byun, F. M. Zhao, D. W. Chen, J. W. Mao, W. Zhang, J. Peng, C. Y. Liu, Y. Pan, J. Hu, J. F. Zhu, X. L. Zheng, H. Y. Fu, M. L. Yuan, H. Chen, R. X. Li, M. Zhou, W. Che, J. B. Baek, J. S. Lee, J. Q. Xu, Adv. Mater. 2024, 36, 2312616.

[50] A. W. Wang, M. Du, J. X. Ni, D. Q. Liu, Y. H. Pan, X. Y. Liang, D. M. Liu, J. Ma, J. Wang, W. Wang, Nat. Commun. 2023, 14, 6733.

[51] L. Y. Zhang, J. J. Zhang, H. G. Yu, J. G. Yu, Adv. Mater. 2022, 34, 14.

[52] S. J. Xie, Y. F. Li, B. Sheng, W. Y. Zhang, W. Wang, C. C. Chen, J. K. Li, H. Sheng, J. C. Zhao, Appl. Catal. B Environ. 2022, 310, 121320.

[53] J. T. Zhang, D. Yan, G. X. Ding, X. S. Wang, C. X. Li, S. Zhong, Y. Q. Yu, L. Shuai, G. F. Liao, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202511448.

[54] C. X. Li, H. Lu, G. X. Ding, T. Y. Ma, S. Y. Liu, L. Zhang, G. F. Liao, Chin. J. Catal. 2024, 65, 174.

[55] L. P. Jiang, D. Q. Chen, Z. K. Hao, D. X. Cao, R. Q. Liu, J. Y. Cheng, L. M. Chen, X. Liu, B. Y. Jia, D. D. Liu, Energy Environ. Sci. 2024, 17, 8228.

[56] G. P. Gao, Y. Jiao, E. R. Waclawik, A. J. Du, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6292.

[57] C. B. Bie, B. C. Zhu, F. Y. Xu, L. Y. Zhang, J. G. Yu, Adv. Mater. 2019, 31, 1902868.

[58] G. R. Jia, M. Z. Sun, Y. Wang, Y. B. Shi, L. Z. Zhang, X. Q. Cui, B. L. Huang, J. C. Yu, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2206817.

[59] Y. Q. Cui, A. Labidi, X. X. Liang, X. Huang, J. Y. Wang, X. M. Li, Q. B. Dong, X. L. Zhang, S. I. Othman, A. A. Allam, D. W. Bahnemann, C. Y. Wang, ChemSusChem 2024, 17, e202301778.

[60] J. Park, H. Liu, G. X. Piao, U. Kang, H. W. Jeong, C. Janáky, H. Park, Chem. Eng. J. 2022, 437, 135388.

[61] Z. Q. Wang, J. C. Zhu, X. L. Zu, Y. Wu, S. Shang, P. Q. Ling, P. Z. Qiao, C. Y. Liu, J. Hu, Y. Pan, J. F. Zhu, Y. F. Sun, Y. Xie, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202203249.

Rights & permissions

2026 The Author(s). Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.