清华大学朱永法&广东石油化工学院余长林，ACS Catal.!

学术 2024-11-16 08:31 广东

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通过半导体光催化剂中的光生电子还原水中的溶解氧来制备H₂O₂具有成本低、安全、环保和可持续发展等优点，被认为是未来制备H₂O₂的理想手段之一。In₂S₃以其优异的光吸收能力、合适的能带结构、低毒性等优点在光催化领域引起了广泛的关注。纯In₂S₃光催化剂具有较低的电荷分离效率，严重限制了其光催化H₂O₂的生成速率。

水热碳化碳(HTCC)是一种通过在180至300 °C温度下对生物质进行水热处理获得的碳基材料，主要由sp²杂化聚呋喃结构组成，这是一种无金属的聚合物半导体，可用于光催化应用。将In₂S₃和HTCC与相结合构建异质结构是提高H₂O₂光催化产物性能的一种有前途和可行的策略，但目前尚无相关报道。

基于此，清华大学朱永法和广东石油化工学院余长林等采用简单的一步水热法，将HTCC高度分散在In₂S₃纳米薄片上，形成层状纳米薄片结构(In₂S₃/HTCC)。实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，在In₂S₃和HTCC界面之间形成的In-S-C键可以作为一个快速的电子转移通道，促进界面上的电荷转移，增强内置电场，从而显著提高电荷分离和转移效率。利用光辅助KPFM对SPV进行定量，其强度与光催化活性高度相关。这一结果表明，In₂S₃/HTCC的高电荷分离效率是驱动其光催化性能提高的主要因素。

此外，HTCC的覆盖增强了In₂S₃的可见光吸收，促进了其对氧的吸附和活化，并降低了关键中间体的形成能垒。还有就是，研究人员还发现In₂S₃/HTCC不仅通过两步单电子氧还原反应产生H₂O₂，而且还产生¹O₂中间体以进一步促进H₂O₂的产生，这是目前研究中一直忽视的反应机制。

性能测试结果显示，在光照下，In₂S₃/HTCC光催化剂在纯水中的光催化H₂O₂生产速率为1392 μmol g^-1h^-1，分别是In₂S₃和HTCC的18.2倍和5.2倍。同时，In₂S₃/HTCC在365、450、500和550 nm的单色光照射下测定的AQY分别为2.15、3.17、2.42和1.00%，在模拟太阳辐照条件下表现出0.39%的高太阳能-化学能转化效率。此外，In₂S₃/HTCC的活性在三个循环之后仅显示出轻微的下降，反应后材料的结构和形态未发生明显变化，证明了其良好的稳定性。

总的来说，该项工作不仅提供了一种基于HTCC的新型有机/无机异质结光催化剂的合成方法，而且对异质结界面结合调节光催化H₂O₂生产活性的潜在机理提供了新的见解。

Furan-based HTCC/In₂S₃ heterojunction achieves fast charge separation to boost the photocatalytic generation of H₂O₂ in pure water. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.4c04341

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