于文英：强内建电场助力Z型异质结用于高效光催化产过氧化氢【JMCA，2023】

发布时间：2023-05-08       阅读：5次

过氧化氢(H₂O₂)不仅是一种广泛应用于环境修复、医疗杀菌和化学合成的环境友好型氧化剂，而且是一种潜在的喷气汽车和火箭的清洁燃料。目前工业上制备H₂O₂主要采用蒽醌工艺，然而其涉及到一系列复杂的加氢、氧化反应和大量有机试剂的使用，存在能耗高、安全风险大、污染严重的缺点。因此，以水和氧气为原料的光催化产H₂O₂是一种安全、环保、节能的技术，具有巨大的发展前景。然而，严重的光生载流子重组和缓慢的电荷迁移限制了其产率和选择性，极大地影响其应用前景。

针对以上问题，我校材料科学与工程学院博士生于文英在“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队黄洪伟教授、张以河教授和田娜副教授的指导下，通过原位生长策略合成了一系列具有强内建电场的点-片结构Cd_0.6Zn_0.4S/g-C₃N₄ Z型异质结，有效改善了光生载流子易重组、迁移慢等关键问题，进一步提升了光催化生成H₂O₂的选择性及产率。

1．采用原位生长法将Cd_0.6Zn_0.4S纳米颗粒牢固均匀地锚定在超薄g-C₃N₄纳米片上，形成独特的点-片结构，不仅加速了界面电荷迁移，而且有效地阻碍了Cd_0.6Zn_0.4S纳米颗粒的团聚（图1）。

2．在可见光辐照下，Cd_0.6Zn_0.4S/g-C₃N₄ Z型异质结的H₂O₂产率达到1098.5μmol g^-1 h^-1，显著高于单一Cd_0.6Zn_0.4S和g-C₃N₄，也超过了此前报道的大多数氮化碳基和硫化物基光催化剂（图2）。

3．Cd_0.6Zn_0.4S纳米颗粒与超薄g-C₃N₄纳米片界面处形成了强的内建电场，这种内建电场源于两者的紧密接触和电子传输能力差异，为Z型电荷转移和载流子分离提供了强大的驱动力（图3）。

图1 点-片结构Cd_0.6Zn_0.4S/g-C₃N₄ Z型异质结的合成与形貌表征

图2 点-片结构Cd_0.6Zn_0.4S/g-C₃N₄ Z型异质结的光催化产过氧化氢性能评估

图3 点-片结构Cd_0.6Zn_0.4S/g-C₃N₄ Z型异质结光催化产过氧化氢机理

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》上：Wenying Yu, Zijian Zhu, Cheng Hu, Sen Lin, Yinghui Wang, Chunyang Wang, Na Tian *, Yihe Zhang, Hongwei Huang*. Point-to-face Z-scheme junction Cd_0.6Zn_0.4S/g-C₃N₄ with a robust internal electric field for high-efficiency H₂O₂ production, Journal of Materials Chemistry A, 2023. [IF2021= 14.511]

全文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d2ta10074f