受自然光合作用的启发，由析氧光催化剂(OEP)、析氢光催化剂(HEP)和电子介质组成的Z-scheme体系在光催化整体水分解领域中显示出巨大的潜力。光生电荷在单个光催化剂中的有效分离以及随后在HEP和OEP之间快速转移是实现高效Z-scheme整体水分解的关键。构建异质结已被证明是促进界面电荷快速转移的有效策略。然而，在异质结界面处所建立的电场无法覆盖整个载流子生成区域，内部载流子只能通过简单的扩散方式迁移到表面，导致大量的体相电荷重组，进而限制了整体水分解活性。因此，迫切需要开发一种既能促进体相电荷分离又能促进界面电荷快速转移的有效策略，实现高效的Z-scheme整体水分解。
基于此，2025年3月13日，延安大学付峰/高晓明、北京工业大学郭红霞和清华大学朱永法团队合作在ACS Catalysis期刊发表题为“Inorganic−Organic Bi
4
Nb
1−x
Ta
x
O
8
Cl/rGO/SA-PTA
Z
‑
Scheme Heterojunction with a Third-Order Polarized
Electric Field and a Fast Electron Transfer Channel for Photocatalytic Overall
Water Splitting”的研究论文，北京工业大学博士研究生高凯龙为论文第一作者，付峰、郭红霞、高晓明、朱永法为论文共同通讯作者。该研究提出了一种通过构建三阶极化电场和快速电子转移通道来同时促进体相电荷分离和界面电荷转移的策略。
第一作者：高凯龙
通讯作者：付峰、郭红霞、高晓明、朱永法
通讯单位：北京工业大学材料科学与工程学院
论文DOI：10.1021/acscatal.4c08035
采用助熔剂-选择性自组装法制备了具有rGO中间层的无机-有机Bi
4
Nb
1-x
Ta
x
O
8
Cl/rGO/SA-PTA异质结光催化剂。Bi
4
Nb
1-x
Ta
x
O
8
Cl中TaO
6
八面体的插入增强了层间极化(InEF1)、SA-PTA中羧基的引入增大了分子偶极矩(InEF2)以及两者界面中rGO的引入诱导了Z-scheme电荷转移途径(IfEF3)，由此形成一个由内部电场-Z-scheme界面电场-内部电场串联组成的三阶极化电场。这种全空间覆盖的三阶极化电场为光生电荷从OEP (Bi
4
Nb
1-x
Ta
x
O
8
Cl)的内部到表面再到HEP(SA-PTA)的有效分离提供了连续的驱动力。SA-PTA可以通过氢键和π-π堆积选择性地锚定在rGO上，从而在Bi
4
Nb
1-x
Ta
x
O
8
Cl和SA-PTA之间建立起快速电子转移通道，确保了界面电荷从OEP到HEP的高效流动。得益于加快的电荷转移动力学和Z-scheme较强的氧化还原能力，Bi
4
Nb
1-x
Ta
x
O
8
Cl/rGO/SA-PTA表现出同步增强的水氧化活性和全解水活性。
利用太阳光和半导体光催化剂从丰富的水资源中生产可持续的氢燃料是解决能源需求和环境问题的最有前途的战略之一。由析氧光催化剂(OEP)、析氢光催化剂(HEP)和电子介质组成的Z-scheme体系因能同时提供宽的光吸收范围和强氧化还原能力在整体水分解领域显示出巨大的潜力。然而，由于Z-scheme本身较长的电荷迁移路径和单个光催化剂构件中缺乏体相电荷分离的驱动力，大部分光产生的空穴和电子在迁移到光催化剂表面之前会重新结合，进而严重限制了水分解性能。因此，促进光生电荷在单个光催化剂中的有效分离以及随后在HEP和OEP之间快速转移是实现高效Z-scheme整体水分解的关键。
(1) 通过在Bi
4
NbO
8
Cl的Aurivillius层中插入TaO
6
八面体，加强了[Bi
2
O
2
]
2+
层和[Cl]
-
层之间的层间极化，从而增强了内部电场。SA-PTA中高亲电性羧基的引入使苝中心和羧基边界之间电位差显著增大，分子偶极矩可达到4.29
D。
(2) 利用SA-PTA分子和rGO之间独特的界面相互作用，可控制备了具有rGO中间层的无机-有机Bi
4
Nb
1-x
Ta
x
O
8
Cl/rGO/SA-PTA异质结，从而建立了快速电子转移通道。
(3) 三阶极化电场可以为光生电荷从OEP的内部到表面再到HEP的快速转移提供连续的驱动力。快速电子转移通道确保了界面电荷从OEP到HEP的高效流动。
(4) 在可见光照射下，Bi
4
Nb
1-x
Ta
x
O
8
Cl/rGO/SA-PTA在水氧化中，O
2
析出速率为31.6 μmol h
-1
，是原始Bi
4
NbO
8
Cl的18.6倍。在整体水分解中，H
2
和O
2
析出速率分别为3.7和1.9 μmol h
-1
，是Bi
4
Nb
1-x
Ta
x
O
8
Cl/SA-PTA的5.2倍。
图1. (a)BNC的晶体结构图；(b)XRD图谱；(c)拉曼光谱图；SA-PTA的(d)固体
13
C
NMR谱图和(e)FT-IR光谱图；(f)Zeta电势；(g)SA-PTA在水和NaOH溶液中的紫外可见吸收光谱图；(h)BNTC、rGO和SA-PTA三者之间的界面相互作用示意图；(i)所制备光催化剂的拉曼光谱图。
图2. SEM图像(a)BNC；(b)BNTC；(c)BNTC/rGO；TEM图像(d)BNTC；(e)SA-PTA；(f)BNTC/SA-PTA；(g，h)BNTC/rGO/SA-PTA异质结；(i-n) BNTC/rGO/SA-PTA异质结的元素映射图像。
图3. (a)BNC和BNTC沿(001)方向的静电位差和电荷密度分布；(b) TaO
6
八面体对层间极化的调控机理图；(c)PTA的静电位分布及内部电场形成示意图；(d)BNTC和SA-PTA的内部电场强度；(e)光催化剂的UV-Vis DRS；(f)BNTC和SA-PTA的能带结构图。
图4. BNTC的(a)形貌图像, (b)振幅图像, (c)振幅-电压曲线和相位曲线，SA-PTA的(d)形貌图像, (e)振幅图像,
(f)相位图像, (g)振幅-电压曲线和相位曲线，(h)BNC和BNTC的电滞回线,
(i) PTCDA和SA-PTA的电滞回线。
图5.
(a-c)
fs-TAS的伪彩色图；(d-f)不同延迟时间的fs-TAS；(g)在685 nm处的归一化衰减动力学曲线；(h)稳态光致发光光谱；(i)电化学阻抗谱；(j) BNTC/SA-PTA和BNTC/rGO/SA-PTA中光生电荷的弛豫过程及转移路径示意图。
图6. (a) Bi
4
Nb
1-x
Ta
x
O
8
Cl的光催化O
2
析出时间进程；(b)所制备光催化剂的O
2
析出速率；(c)加载FeCoPi作为水氧化助催化剂时的O
2
产率；(d)层状钙钛矿基光催化剂的OER性能比较；(e) SA-PTA的光催化H
2
析出时间进程；(f)不同复合比例BNTC/rGO/SA-PTA异质结的整体水分解活性；(g)不同异质结的光催化整体水分解气体析出时间进程；(h)光催化整体水分解循环。
总之，本文以Bi
4
NbO
8
Cl作为析氧光催化剂(OEP)，以SA-PTA作为析氢光催化剂(HEP)。通过在Bi
4
NbO
8
Cl中插入TaO
6
八面体、在SA-PTA中引入羧基和在两者接触界面中加入rGO，成功构建了具有三阶极化电场和快速电子转移通道的无机-有机Bi
4
Nb
1-x
Ta
x
O
8
Cl/rGO/SA-PTA
Z-scheme异质结。三阶极化电场为光生电荷从OEP内部到表面再到HEP的有效分离提供了连续的驱动力，快速电子传递通道确保了界面电荷从OEP到HEP的高效流动。因此，Bi
4
Nb
1-x
Ta
x
O
8
Cl/rGO/SA-PTA显示出快速的电荷转移动力学和较强的氧化还原能力，从而实现了高效的水氧化反应和Z-scheme整体水分解反应。这项工作可为Z-scheme异质结中界面相互作用的调控和电荷转移动力学的加快提供新的思路。
高凯龙，
北京工业大学材料科学与工程学院博士研究生。研究方向为非均相光催化能源转化。以第一作者或第二作者（导师第一）在ACS Catal., Appl. Catal. B: Environ., J. Energy. Chem., Chem. Eng.
J.和Catal. Sci. Technol.期刊发表论文6篇。
付峰
，延安大学教授，博士生导师，陕西省“化学工程与技术”特色学科带头人，陕西省“特支计划”区域创新发展人才，陕西省“三秦人才”，陕西省“优秀教育工作者”，教育部化工类专业教学指导委员会委员。带领研究团队从事低阶煤分质清洁利用工艺技术开发、环境催化技术、光（电）化学储能等领域的研究工作。近5年来，主持国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划子项目、中央引导地方科技创新重点计划等科研项目10余项；先后在Adv. Mater., Adv. Energy Mater.,
Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J.,
J. Catal.等期刊发表论文50余篇。主编《能源化工工艺学》《化工设计与技术经济》著作2部；授权国家发明专利20项；先后获湖北省科学技术奖、陕西省科学技术奖、陕西省高等学校教学成果奖等奖励。
朱永法
，清华大学化学系教授、博士生导师，国家电子能谱中心副主任。分别从南京大学、北京大学和清华大学获得学士、硕士和博士学位以及在日本爱媛大学从事博士后研究工作。朱永法教授曾获教育部跨世纪优秀人才及国家自然科学基金委杰出青年基金的资助，且获得国家自然科学奖二等奖1项，教育部自然科学奖一等奖2项、二等奖1项，教育部科技进步奖二等奖和三等奖各1次；出版著作5部并获专利24项；在Nat. Catal.、Nat. Energy、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文509篇，其中高被引论文50篇；论文总引47000余次，H因子为122。自2014年至今获Elsevier高被引学者，2018年至今获科睿唯安“高被引科学家”。朱永法教授现担任Science for Energy and Environment（SEE）创刊主编，Applied Catalysis B 副主编，Green Carbon副主编，中国感光学会副理事长兼光催化专业委员会主任，中国化学会环境化学专业委员会委员，教育部资源化学重点实验室学术委员会副主任等学术兼职。
高晓明
，陕西省高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才，陕西省中青年科技创新领军人才，陕西省青年科技新星，陕西省能源小分子绿色高效转化科技创新团队带头人。围绕能源化工科学技术前沿和区域发展中“碳达峰”“碳中和”的重大需求，主要从事能源化工应用基础、多相催化、二氧化碳绿色转化研究。先后主持国家自然科学基金、陕西省科技厅基金等各类项目10余项，其中国家自然科学基金3项，西安市“双中心”建设重大项目1项，在ACS Catal.、Appl. Catal. B: Environ.、Small 、Chem. Eng. J.等国内外刊物上发表论文50余篇；授权国家发明专利9件；出版著作3部；以第一完成人获陕西省自然科学奖二等奖1项，陕西省科学技术三等奖1项，陕西省高等学校科学技术一等奖1项、二等奖2项，陕西省人民政府自然科学优秀学术论文奖2项，陕西省化学优秀青年奖。
课题组主页：
https://www.x-mol.com/groups/gao__xiaoming
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