S型异质结光催化剂的研究进展

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2023-0437

摘要/Abstract

摘要：

光催化技术具有合成过程简便、反应条件易控制、充分利用太阳能且无二次污染等突出优势，在处理环境污染问题和缓解全球能源短缺等方面具有广阔的应用前景。然而，由于光生载流子低的转移和分离效率，实际的光化学转换效率提升受到了限制。新兴的S型异质结光催化剂由于其在空间上实现了光生载流子的有效转移分离并展现出强的氧化还原能力，在太阳燃料制备和环境治理领域受到了广泛关注和研究。综述了异质结光催化剂的发展历程和S型异质结的基本原理及在各领域中的应用。最后，总结了S型异质结光催化剂的突出优势，并提出S型异质结光催化剂的发展前景和面临的挑战，为开发具备高效光催化活性的新型异质结光催化剂提供思路和参考。

关键词: S型异质结, 光催化, 析氢, 二氧化碳还原, 降解

Abstract:

Photocatalytic technology has outstanding advantages such as simple synthesis process，easy control of reaction conditions，full utilization of solar energy，and no secondary pollution.It has broad application prospects in addressing environmental pollution problems and alleviating global energy shortages.However，due to the low transfer and separation efficiency of photo generated carriers，the actual improvement of photochemical conversion efficiency is limited.The emerging S-tpye heterojunction photocatalysts have received widespread attention and research in the fields of solar fuel preparation and environmental governance due to their effective transfer and separation of photo generated carriers in space and their strong redox power.The development history of heterojunction photocatalysts，the basic principles of S-tpye heterojunctions，and their applications in various fields were reviewed.Finally，the outstanding advantages of S-tpye heterojunction photocatalysts were summarized，and the development prospects and challenges faced by S-tpye heterojunction photocatalysts were proposed，providing ideas and references for the development of new heterojunction photocatalysts with high photocatalytic activity.

Key words: S-type heterojunction, photocatalysis, hydrogen evolution, carbon dioxide reduction, degradation

中图分类号:

O644.11

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图/表 9

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参考文献 71

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异质结种类	优点	缺点
传统Ⅱ型异质结	两个半导体之间进行电子和空穴的转移，使得电子和空穴在空间上得到有效分离	电子-空穴氧化还原能力降低；受到电荷斥力和电荷吸附的影响
传统Z型异质结	光催化剂氧化还原能力提高	氧化还原性离子稳定性较差；应用范围窄（仅在液相条件下作用）
全固态Z型异质结	电荷转移路径缩小，转移速率提高	成本较高；异质结难以精准构建
直接Z型异质结	光催化材料可循环，不受光屏蔽效应影响，应用范围广	电荷传输过程中损失电荷，传输路径变长

方法	定义	特点
共沉淀法^［34］	在溶液中含有两种或多种阳离子，其以均相存在于溶液中，加入沉淀剂，经沉淀反应后，可得到各种成分均一的沉淀	操作方便，条件简单
水热合成法^［35］	以水或有机溶剂为介质，在密闭反应釜中进行高温化学反应	制备的催化剂尺寸均一、形貌可控、结晶良好且晶体团聚较轻
高温固相法^［36-37］	在高温条件下，固体界面间经过接触、反应、成核、晶体生长反应而生成一大批复合氧化物	简洁，焙烧温度影响样品结构形貌
静电纺丝法^［38］	利用电场作用克服表面张力形成纤维状从而改变其形貌	简单易操作；产量低，环境影响大
原位生长法^［39-40］	在一定维度的材料上负载量子点	对材料尺寸有一定要求
微波水热法^［41-42］	利用微波辐射的能量和水热反应的高温高压条件进行化学反应	成本低廉、操作简单、反应快速
热缩聚法^［43］	在气氛炉中进行煅烧，高温高压条件下发生聚合反应	方便易操作；时间较长且需要稀有气体
静电自组装法^［44］	在特定条件下，分子依赖非共价键分子间作用力自发连接成结构稳定的分子聚集体	对分子的尺寸及空间方向有特定要求

S型异质结	助催化剂（质量分数/%）	光源波长/nm	H₂放出率/（μmol· h^-1·g^-1）	增强因子	表观量子产率/ %
NiTe₂/g-C₃N₄^［53］	Pt（3）	300 W Xe lamp	2 540.4	23.4	—
HCCN/ACN^［54］	Pt（1）	300 W Xe lamp	5 534	6.6	3.62
W₁₈O₄₉/HCN^［55］	—	300 W Xe lamp （λ＞420 nm）	892	3.4	6.21
Au/g-C₃N₄^［56］/CuO	—	500 W Xe lamp （λ＞400 nm）	552.6	5.3	—
ZIS/CDs/CN^［57］	Pt（1）	300 W Xe lamp （λ＞420 nm）	17 580	2	12.73
MoS₂/CdIn₂S₄^［50］	—	300 W Xe lamp （λ＞400 nm）	1 868.19	2.26	—
ZIS/ZnSe HNSs^［58］	Pt（1）	300 W Xe lamp （λ> 420 nm）	3 332.2	—	10.9
WO₃/TiO₂/ rGO^［59］	—	350 W Xe lamp	245.8	3.5	1.4
ZCS@DBTCN^［60］	—	300 W Xe lamp	8 870	—	14.9
Co₃O₄/ZnO^［61］	Pt（0.5）	500 W Xe lamp （420~700 nm）	2 241	1 834	—
ZnBi₂O₄/ZnO^［62］	—	570 W Xe lamp	3 340	12.7	—
WO₃/CoP^［52］	—	5 W white light	4 417.2	5.06	2.02
Bi₂O₂CO₂/HPR^［63］	—	300 W Xe lamp	3 144	3	—

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