第一作者：孙榕君
通讯作者：田娜、黄洪伟
通讯单位：中国地质大学（北京）
论文DOI：
10.1002/anie.202408862
异质结系统中，由于缺乏稳定的界面驱动力和明确的电荷转移通道，电荷分离和转移效率较低。本研究合成了具有2D/2D大面积接触、界面短氢键连接、强界面电场的Z型异质结BiOBr@NiFe-LDH，并证明了原位光照诱导金属物种辅助电荷转移的机理。在光催化反应中，原位形成的Bi
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和Ni
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分别作为电子传输介质和电子阱，促进电荷转移效率的提升。在氢键、强界面电场、原位形成的金属物种的协同作用下，所合成的Z型结在可见光协同过硫酸盐活化降解盐酸四环素中表现出优异的光催化活性（去除率为88.3
%，7 min），电荷转移效率高达71.2 %。
由于光生载流子在单个半导体中容易发生复合，限制了光催化技术的效率提升和实际应用。构建人工光合成体系（Z型异质结）可以成功地达到提高电荷转移和分离效率的目标，从而提高光催化性能。然而，由于缺乏稳定的界面驱动力和明确的电荷转移通道，其效率仍然不够理想。因此，界面的功能性设计是促进电荷分离和提高光催化效率的关键之一。与此同时，发生在界面处的光反应机制也较少受到关注。
近日，
中国地质大学（北京）黄洪伟
教授、田娜副教授
与其指导的
硕士研究生孙榕君
等人，制备了具有界面氢键作用和强界面电场的2D/2D
BiOBr@NiFe-LDH Z型结，并发现了原位光诱导金属物种辅助电荷转移的机制。BiOBr的O原子和NiFe-LDH的H原子之间的氢键诱导了显著的界面电荷再分配，建立了稳健的内建电场（IEF）。值得注意的是，在光催化反应过程中，Bi
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和Ni
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在异质结中原位生成，它们分别作为电子传输介质和电子陷阱，进一步将电荷转移效率提高到71.2%。理论计算进一步证明了Bi
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的存在增强了IEF。因此，在Bi
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/BiOBr@Ni
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/NiFe-LDH中实现了高速空间电荷分离，具有显著的光催化活性，在可见光照射和过硫酸盐存在下，7分钟内四环素的去除率为88.3%，远远超过了以前报道的大多数光催化剂。
1. 本工作利用静电自组装法成功构建了2D/2D BiOBr@NiFe-LDH Z型异质结，其界面由大量短氢键相连，具有强大的界面电场。在光催化反应过程中，原位形成了促进电荷传输的金属物种Bi
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、Ni
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。该异质结实现了高效的电荷传输效率（71.2 %），提升了光催化活性。
2. 异质结2-BNF在光催化降解盐酸四环素（TC）中表现出优异的性能，能够在2 h内去除98.8 %的TC，分别是纯BiOBr和NiFe-LDH的6.4和10.3倍。并在过硫酸盐存在的条件下实现了在7 min内去除88.3 %的TC，实现超高降解效率。
3. 本文结合系列实验表征与理论计算结果证明，异质结的界面氢键键长在1.3至2.1 Å之间，具有强或中强的结合力，提供了大量原子级的电荷转移通道，并诱导了强的界面电场。光照激发电子离域，有利于反应的发生。Bi
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的原位形成进一步增强了界面电场，促进电荷传输。
通过静电自组装法制备了2-BNF，SEM与TEM揭示了2D BiOBr与2D NiFe-LDH之间形成大面积接触良好的界面。HRTEM表明异质界面由BiOBr的{001}晶面与NiFe-LDH的{001}晶面相耦合形成。
图2 XPS图像、FT-IR图像以及氢键的形成过程示意图
XPS显示了异质结的成功复合，结合能带结构证明了Z型异质结的构建。此外，红外光谱中O-H振动带的偏移证明了界面氢键的形成。
2-BNF相比于单一BiOBr和NiFe-LDH表现出显著增强的光催化活性，性能分别提升至6.4和10.3 倍。在可见光与过硫酸盐的协同作用下，性能进一步提升，达到了分钟级降解效率。该性能超过了大多数已报道的催化剂体系。
利用降解前后溶液水培豌豆苗的毒性评估实验显示了降解后的溶液具有低的生物毒性。
DFT计算进一步证明了界面氢键的存在，并揭示了界面电荷转移机制。氢键能够作为原子级电荷传输通道。功函数与差分电荷密度的计算表明，BiOBr和NiFe-LDH接触后，诱导了界面电荷再分布，形成由NiFe-LDH指向BiOBr的内建电场。原位XPS表明在光照下金属物种Bi
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、Ni
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的形成。另外，Bi
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的形成能够进一步增强界面电场。氢键、强界面电场以及金属物种的协同作用显著加速了Z型电荷传输并实现了有效的空间电荷分离。
图5 飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA）图像与衰减动力学拟合
飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA）证明了Z型电荷转移机制，并揭示了光照促进异质结电子离域的机制，有利于提升电子的利用率与反应活性。衰减动力学拟合也显示，异质结的形成促进了光生电子在界面处快速转移，并抑制了载流子重组。辐照后的2-BNF的衰减动力学表明，绝大部分电子处于扩散的离域状态，并受到金属颗粒捕获的影响。
本文合成了具有界面氢键和强界面电场的2D/2D Z型异质结BiOBr@NiFe-LDH（2-BNF）。在光照下，BiOBr上原位形成的Bi
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金属增强了界面电荷转移，NiFe-LDH上原位形成的Ni
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金属可以将光生电子提取到2-BNF的表面。DFT结果表明，异质结的界面存在大量氢键。Bi
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的形成进一步增强了界面电场。基于Z型异质结的高电荷分离效率、氢键形成的原子级电荷转移通道和Bi
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/Ni
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电子介质的协同效应，2-BNF实现了更有效的界面电荷转移。此外，光照可以激发2-BNF中的电子离域，使它们更容易参与反应。高的电荷迁移和分离效率使Vis/2-BNF/PMS系统能够在7 min内去除88.3 % TC。本研究不仅丰富了氢键异质结光催化剂的研究，还揭示了原位光反应界面相互作用机制。
田娜：
中国地质大学（北京）副教授、博导。主要研究极性异质结光催化材料的设计合成及其在环境能源领域的应用。目前以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Coordin. Chem. Rev.、Nano Energy、J. Mater. Chem. A等期刊发表SCI论文34篇，其中影响因子大于10的论文14篇，前1%高被引论文6篇。授权2项中国发明专利。主持国家自然科学基金面上基金和青年基金、雄安新区科技专项子课题等项目8项。获2023-2025年度北京市科技协会青年人才托举项目，2020 年入选中国地质大学（北京）第六批“求真学人”计划，获2022年度“朱训青年教师奖”，2022年获得教育部自然科学奖二等奖（半导体结构设计及矿物复合材料光效应研究与应用，第4完成人）。
黄洪伟：
中国地质大学（北京）教授、博导，入选国家高层次青年人才，荣获教育部自然科学奖二等奖、霍英东基金会青年教师奖、英国皇家化学会 Horizon Prize等。研究领域为“极化光催化材料”及其在能源环境领域的应用。以第一或通讯作者在Nat. Commun./Adv. Mater./Angew. Chem./JACS（25）、Adv. Funct. Mater.（13）、Sci. Bull.（2）等期刊发表SCI论文200余篇，52篇论文入选全球1% ESI 高被引用论文，2篇论文入选中国百篇最具影响国际学术论文，发表论文总引用次数29000余次，h因子为98。2019-2023连续5年入选科睿唯安 “全球高被引学者”，任《Chinese Journal of Catalysis》、《Journal of Materiomics》、《Chinese Chemical Letters》、《物理化学学报》、《ChemPhotoChem》、《Transactions of Tianjin University》等期刊客座主编、编委及青年编委，中国感光学会青年理事，中国复合材料学会矿物复合材料专委会委员，中国矿物岩石地球化学学会矿物岩石材料专委会委员。
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