第一作者：王勿忧，李必清
通讯作者：奚新国，Sibudjing Kawi，胡飞扬
通讯单位：盐城工学院化学化工学院；盐城工学院材料科学与工程学院；江西农业大学化学与材料学院；新加坡国立大学
论文DOI：
10.1016/j.apcatb.2024.124766
半导体材料的光催化分解水能力与载流子分离效率紧密相关。该研究设计了一种新型的BiVO
4
/C
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N
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（BVO/CN）复合体系用于提升单体C
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N
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内部的光生电子与空穴分离效率和光氧化能力，最终实现了高效的光催化分解水活性(可见光条件下，氢气和氧气的产率分别为2.62
mmol•g
-1
•h
-1
与162 μmol•g
-1
•h
-1
)。实验和理论计算结果表明，光催化剂的优异性能归因于复合体系中氧化与还原端基元相之间良好的界面融合态与Z型载流子迁移机制的构建，共同促进了复合体系内部的可见光捕获与光生载流子空间分离，加速载流子的表面迁移并提升其寿命，推进•O
2
-
与•OH活性自由基参与分解水反应的进程。
TOC图 新型BiVO
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/C
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光催化分解水复合体系载流子迁移过程。
工业化进程的加快使得人类对能源的需求与日俱增。发展半导体光催化分解水技术，通过光能至化学能的转化可实现氢能生产，对减少二氧化碳等温室气体排放、缓解能源危机具有重要意义。然而，光生载流子难分离、迁移受限的问题限制了大多数光催化剂氧化还原活性的发挥，极大降低了光催化分解水效率。如何提升材料内部光生载流子的分离与传输能力对提高光催化氢气与氧气的生产效率具有重要意义。因此，迫切需要开发有效的催化剂，以实现高效的分解水活性。
1. 通过原位油浴法将富氮C
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材料与BiVO
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结合，构建了一种新型的BVO/CN复合体系，并在两基元相之间形成了良好的界面接触。
2. 氧化端材料BiVO
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的引入确保复合体系达到了分解水热力学要求，构筑的Z型载流子迁移机制极大提升了复合体系光生电子与空穴的分离能力。
3. BVO/CN复合体系首次实现了高效的分解水制氢和产氧活性。
调控BiVO
4
前驱体添加量，通过原位油浴法将剥离好的C
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负载在BiVO
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表面获得BVO/CN复合材料。XRD与FT-IR结果证实了BVO/CN异质结构成功构建。SEM图片显示，C
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纳米片紧密地负载在
BiVO
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十面体表面，同时表明了异质结构构筑过程对材料原本形貌并无影响。TEM表征显示BiVO
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与C
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之间形成了良好的界面融合效应，有利于光生载流子在不同基元相之间的传输。EDX 元素映射图像说明C
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在BiVO
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表面分布均匀。
图1 复合体系制备流程示意图、结构与微观形貌表征。
XPS结果发现构建复合体系之后，所有元素的结合键能均发生了不同程度的变化，说明电子云在不同基元相之间发生了迁移，证实了异质结构中稳定化学键的形成。
图2 BiVO
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、C
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与BVO/CN异质结构不同元素XPS谱图。
优化异质结构不同基元相比例发现，5 wt%BVO/CN复合体系在负载了1wt% Pt助催化剂后，可见光氧化还原能力显著提升，展现出了可观的分解水制氢和产氧活性，其中氢气生产速率达到2.62 mmol•g
-1
•h
-1
，是单体C
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的3倍。此外，经过40个小时的循环测试，复合体系仍然保持稳定的光催化制氢和产氧能力。ESR与光电化学测试共同验证了在Z型载流子转移机制的牵引下，
BVO/CN
内部光生载流子完成了高效分离。
图3 光催化分解水活性及稳定性测试、光生载流子分离动力学表征、BVO/CN复合体系Z型载流子迁移机制。
DFT计算中，通过构建BVO/CN复合体系模型，计算了H在BVO/CN上吸附后的吸附能(
E
ads
)和H-N（l
H-N
）键长分别为-0.28 eV和1.07 Å，这些值明显小于原始C
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N
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（
E
ads
= -0.01 eV和l
H-C
= 1.10 Å），表明了BVO/CN异质结构对H具有相对较强的吸附亲和力。BVO/CN异质结构的窄带隙增强了H的结合强度，产生最佳的∆
G
ºH值（0.04 eV），有利于氢的生成。DOS结果表明，复合体系中BiVO
4
的态密度分布向低能区整体转移，从而引起BVO/CN异质结构电子结构的变化，进一步增强BVO/CN异质结构制氢能力。
图4. DFT理论计算。
综上所述，本工作利用原位油浴法发展了一种新型的BiVO
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/C
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复合材料。通过引入Z型载流子迁移机制，构建具有强载流子表-界面分离和迁移能力的复合体系，光氧化还原能力显著增强。BiVO
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/C
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复合体系在可见光条件下表现出了优异的光催化活性，首次实现了该异质结构的分解水制氢产氧目标。此项研究为Z型复合光催化剂的发展提供了一种研究思路。
Wuyou Wang
1
, Biqing Li
1
, Jia Shi, Kai Zhu,
Yeru Zhang, Xuexin Liu, Claudia Li, Feiyang Hu*, Xinguo Xi*, Sibudjing Kawi*,
High-efficiency
Photocatalytic Hydrogen and Oxygen Evolution Properties by Z-scheme Electron
Transfer in BiVO
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/C
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Heterostructure,
Appl. Catal. B-Environ. DOI：
10.1016/j.apcatb.2024.124766
第一作者：
王勿忧
，
博士毕业于南昌大学工业催化专业，盐城工学院化学化工学院讲师，从事研究方向为光催化材料分解水制氢，以第一或通讯作者身份在Appl. Catal. B-Environ., J. Mater. Sci. Technol., J. Mater. Chem.
A等期刊发表论文10余篇。
第一作者：
李必清
，盐城工学院应用化学专业在读硕士生，研究兴趣为光催化材料的应用。
通讯作者：奚新国
，工学博士，教授，硕士生导师，长期从事无机非金属材料及新材料的研究开发，开展生态混凝土、废弃物制备墙体材料等领域的研究，开发新型光催化材料用于环境治理,开展多污染物协同控制及CO
2
捕集与转化研究。目前，以第一作者或通讯作者在Chem. Eng. J.、ACS Catal.、Appl.
Catal. B-Environ.等期刊发表SCI论文50多篇，h-index 16，获授权专利10余项，其中国际专利1项。主持国家重点研发项目、国家自然科学面上基金、江苏省研究生培养创新工程研究生教育教学改革立项重点课题。
通讯作者：Sibudjing Kawi
，教授，本科、硕士、博士毕业于美国德克萨斯大学奥斯汀分校，伊利诺伊大学香槟分校，特拉华大学。1994年-至今，受聘于新加坡国立大学，专注于绿色可持续发展纳米催化剂的设计和制备，致力于甲烷CO
2
重整，CO
2
加氢，生物质转化，水煤气转化等技术在热、光、电以及等离子体等领域的发展。迄今，在国际学术期刊发表500余篇研究以及综述论文，Google Scholar 引用量逾30000次，h-index 91, 连续多年评为全球高被引学者。
通讯作者：胡飞扬
，江西农业大学化学与材料学院讲师、硕士生导师，从事CO
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/CH
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转化、CO（富氢）氧化等能源与环境催化研究工作；主持国家自然科学基金青年项目1项，以第一/通讯作者发表论文10余篇。
