利用光沉积技术有效控制异质结和直接Z-scheme的形成

hundan

光催化技术已经成为一种利用太阳能，并实现能量转化和存储以及环境治理的有效途径，如何提高光催化剂的效率成为当前研究的热点问题。在实现光催化的过程中，电荷分离是光催化过程的重要一环，其效率直接影响光催化剂的最终效率，合理地设计光催化剂的纳米结构是提高光催化剂电荷分离效率的重要手段。构建II型异质结和Z-scheme是两种最典型的高效电荷分离的纳米结构。其中II型异质结和直接型Z-scheme都由两种半导体材料组成，可以促进光催化剂的电荷分离效率。然而在大多数情况下，人们获得两种半导体组成的复合材料，随后才可证明该材料是异质结或者是直接Z-scheme。如何进行有目的的设计合成目前还是一种具有挑战性的工作。

最近，北京工业大学的孙再成教授课题组发现，可以利用光沉积技术来实现对光生电荷的有效控制，从而实现有意识地构建异质结结构或者直接型Z-scheme。作者想到光沉积技术广泛应用于光催化剂中助催化剂Pt的负载，利用光生电子来还原Pt，并将Pt纳米颗粒沉积在光生电子流动的位点。因此，作者以石墨相氮化碳为底物，利用光沉积技术来还原单质硫沉积的CdS纳米颗粒，由此获得CdS/g-C3N4复合光催化剂。由于CdS沉积在g-C3N4光生电子流向的位点，会使g-C3N4的电子更易流向CdS，从而获得II型异质结型的复合光催化剂。为了对比研究，他们同时利用化学法制备了没有沉积取向的CdS/g-C3N4，发现在化学沉积的复合光催化剂中，Z-scheme类型的占据主导。PL光谱以及电荷传输示踪法证明了上述两种方法分别制备得到传统Ⅱ型异质结以及直接Z型纳米复合结构，并通过光催化活性以及稳定性表征进一步证明了上述结果。该成果为利用光沉积技术合理构建传统Ⅱ型异质结和直接Z型纳米结构提供了潜在的可能性。如果更换底物和沉积的半导体将可以实现对异质结或直接Z-scheme类型光催化剂的构建。该研究成果近期发表在ACS Catalysis 上，文章的第一作者为博士研究生姜文帅，通讯作者为孙再成教授。

该论文作者为：Wenshuai Jiang, Xupeng Zong, Li An, Shixin Hua, Xiang Miao, Shiliang Luan, Yuanjing Wen, Franklin Feng Tao and Zaicheng Sun

Consciously Constructing Heterojunction or Direct Z-Scheme Photocatalysts by Regulating Electron Flow Direction

ACS Catal., 2018, 8, 2209, DOI: 10.1021/acscatal.7b04323