目的性构建直接Z-Scheme光催化剂

光催化技术当前已经在能源转化、环境治理以及有机合成反应等方面获得了广泛的应用。为促进光催化剂的电荷分离效率，构建II型异质结和Z-Scheme是常见两种方式。直接Z-scheme由于可避免电子传输媒介缺点从而实现对光的高效利用而备受关注。但直接Z-Scheme和II型异质结在组成上结构十分相似，都是由两种半导体材料直接接触实现光生电荷转移，其差别在于在II型异质结电荷转移的驱动力是能级之间的电位差，因此会降低复合光催化剂的氧化和还原能力。而在直接Z-Scheme中，两种半导体的能量较低的导电电子和价带空穴相结合，从而保留了相对能级较高的价带空穴和导电电子从而保持了复合光催化剂较高的氧化和还原能力。因而构建直接Z-Scheme型光催化剂成为大家追求的目标。不过，如何目的性的构建直接Z-Scheme一直面临着巨大的挑战。

最近，北京工业大学的孙再成教授（点击查看介绍）课题组发现利用光沉积技术来可以实现对光生电荷传输方向的有效控制，通过光沉积技术将一种半导体材料选择性沉积在另一半导体还原位点或者氧化位点。从而实现对光生电荷传输方向的有效控制，进一步获得直接Z-Scheme型复合光催化剂。首先作者以g-C₃N₄为基底，利用光氧化沉积技术来沉积Fe₂O₃，这样在获得的复合光催化剂Fe₂O₃/g-C₃N₄中，Fe₂O₃沉积在g-C₃N₄的氧化位点上，也就是空穴流向的位点。当受到光激发时，g-C₃N₄上产生的空穴更倾向于富集到Fe₂O₃附近，从而增加了与Fe₂O₃上的光生电子结合的几率。如此，就获得了直接Z-Scheme型光催化剂。同样，他们以TiO₂为基础半导体利用光还原技术来沉积CdS，实现了CdS在TiO₂还原位点的沉积。在光照时，TiO₂上的光生电子富集在CdS沉积位点，因而与CdS上的光生空穴相结合形成直接Z-Scheme型光催化剂。为了验证上述想法，作者通过电荷传输示踪法和自由基检测实验证明了上述两种复合半导体的反应机理均为直接Z-scheme。该成果利用光沉积技术实现了直接Z-scheme的构建，为直接Z-scheme的目的性构建开启了一扇大门。

相关工作近期发表在Journal of Materials Chemistry A 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和曲丹教授。该工作得到国家自然科学基金、北京市自然科基金和北京市教委重点研究项目等的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Deliberate construction of direct Z-scheme photocatalysts through photodeposition

Wenshuai Jiang, Dan Qu, Li An, Xiang Gao, Yuanjing Wen, Xiayan Wang, Zaicheng Sun

J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA05607F

导师介绍

孙再成

https://www.x-mol.com/university/faculty/48513