江苏科技大学|郭峰/施伟龙CEJ：构筑全光谱利用的S型异质结以促进光热辅助光催化产氢

第一作者：石宇星

通讯作者：郭峰，施伟龙

单位：江苏科技大学

在整个太阳光谱中，紫外（UV）光仅占比5%，而近95%由可见光（vis）光和近红外（NIR）光组成。然而，大多数光催化剂只能捕获紫外和部分可见光以产生具有高氧化还原电位的载流子，但很少能利用NIR光。一般来说，有效利用近红外光区（~占太阳光谱的53%）可以显著提高光催化剂在太阳光谱中的整体效率。

近年来，光热转换是一种可行的策略，利用太阳光子产生热量，特别是对近红外光区，可用于改善相对温和的条件下的光催化活性。在大多数研究中，光热对光催化的研究只集中在以下几个方面：

（i）光热过程可以促进电荷的分离；

（ii）热赋予载流子更多的能量，促进载流子传输；

（iii）热降低了光催化反应的活化能；

（iv）较高的温度条件很容易激活吸附的活性物质。

虽然在光热辅助光催化系统中的研究人员在这些研究方面已经付出了大量的努力，但在光热光催化过程中，这些低、高频太阳光子如何协同工作以增强光催化活性的机制尚未被探索。同时，对于大多数固-液反应系统的光催化产H₂实验，温度通常控制在一个相对较低的水平排除热催化的影响，虽然这种方法使容易分析单一光场的光催化机制但导致了能量浪费。

此外，由于水的导热系数大，几乎所有的光热效应产生的热被转移到反应溶液，而反应溶液温度的升高对催化剂性能的影响很少研究，因此设计一个有效的光热辅助光催化系统全太阳光谱利用去研究这些问题是非常重要的。

基于此,江苏科技大学施伟龙和郭峰副教授课题组在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Construction of full solar-spectrum available S-scheme heterojunction for boosted photothermal-assisted photocatalytic H₂ production”的研究文章。

该工作通过一步低温水浴法成功制备了核壳Co₃O₄@ZnIn₂S₄的S型异质结。与之前报道的Co₃O₄/ZnIn₂S₄异质结相比，我们首次在该体系中探索了光热效应对光解水析氢反应的影响。此外，本研究中Co₃O₄@ZnIn₂S₄光催化剂的性能优于目前报道的大多数ZnIn₂S₄基光催化剂和光热催化剂。通过控制实验温度，研究了提高反应溶液温度对催化剂活性的影响。

同时，通过设计产H₂实验和不同光照条件下的电化学实验，探讨了不同频率的光子在析氢反应过程中的作用。利用电子自旋共振试验进一步验证了S型的界面电荷转移机理。此外，还阐明了光热效应和异质结对光催化性能的影响。最后，我们进行了室外性能试验，探究了Co₃O₄@ZnIn₂S₄复合材料的实际应用潜力。

图1. Co₃O₄、ZnIn₂S₄和CO@ZIS微观和结构表征

图2. CO@ZIS-20的化学元素与价态表征

图3. CO@ZIS-20的光催化活性和稳定性测试

图4. 光热对光催化活性影响测试

图5. 光热辅助光催化过程中不同频率光子的作用

图6. 异质结界面电荷转移路径分析

图7. 户外真实太阳光下催化剂d额性能测试

Y. Shi, L. Li, Z. Xu, F. Guo, Y. Li, W. Shi, Construction of full solar-spectrum available S-scheme heterojunction for boosted photothermal-assisted photocatalytic H₂ production, Chemical Engineering Journal 459 (2023) 141549.

郭峰，现任江苏科技大学副教授，硕士生导师，新能源系专业负责人，中国感光学会光催化专业委员会会员，江苏省环境科学学会会员, 新加坡维泽专家库（VE）材料科学专家委员会会员。长安大学市政工程专业博士毕业，获工学博士学位。主要从事g-C₃N₄基复合光催化材料的设计、构筑以及光催化性能等方面的研究工作。

主持国家自然科学基金项目，江苏省青年基金项目，江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师人才项目，校级深蓝杰出人才项目, 河北省水资源可持续利用与开发实验室开发基金，江苏省产学研项目等10余项。近年来，共计以第一作者或通讯作者发表85篇SCI收录论文，其中一区SCI论文42篇（影响因子≥10的 15篇），二区论文17篇，ESI高被引论文26篇，ESI热点论文5篇，1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文，荣获国际学术奖“最佳研究者”奖，H-index 44，国家授权发明专利3项。

入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists 2022）、江苏省“科技副总”、镇江市“出彩教育人”、校“优秀教师”、本创“优秀指导教师”、省级竞赛“优秀指导教师”等称号，相关工作发表在《Applied Catalysis B: Environmental》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and compounds》、《Separation and Purification Technology》等高水平杂志。

此外，担任《Frontiers in Chemistry》客座主编以及《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际期刊审稿人。

相关工作发表在Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Inter., J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Technol., Inorg. Chem. Front., J. Mater. Chem. B., Appl. Surf. Sci., J. Alloy Compd.等高水平杂志。截止目前，共计以第一作者或通讯作者发表87篇SCI收录论文，其中一区SCI论文42篇（影响因子≥10的17篇），二区论文25篇，ESI高被引论文29篇，ESI热点论文12篇，1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文，H-index 46。

荣获国际复合材料“最佳研究者”奖，受理发明专利2项。入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists 2022）, 现主持国家自然科学基金青年、江苏省“双创博士”、“科技副总”人才项目、河南省博士后科研项目启动资助、河北省水资源可持续利用与开发实验室开发基金、江苏省产学研项目、校级深蓝杰出人才等10余项。

此外，担任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》客座主编、《Photocatalysis and Photochemistry》青年编委以及《Applied Catalysis B: Environmental》、《ACS Catalysis》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际Top期刊审稿人。

石宇星，江苏科技大学能源与动力学院硕士研究生。主要从事光催化半导体能源转化和水环境修复方向，相关成果已经以第一作者在《Separation and Purification Technology》、《Chemical Engineering Journal》和《Applied Surface Science》等著名国际期刊上发表SCI论文6篇，现主持苏省研究生科研创新计划（2022）1项，专利申请1项，荣获过江苏省研究生新能源材料与器件科研创新实践大赛，二等奖（2020）和2021年江苏省化工新材料学术创新论坛 三等奖。

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