讓陽光「生產」氫氣：Z型光催化體系又有新玩法

【前言】開發清潔和可再生能源是緩解能源短缺和環境惡化問題的必然選擇。氫氣由於其燃燒產物沒有二次污染而被認為是最理想的清潔燃料。太陽光光催化分解水制氫，為清潔高效地轉化利用太陽能、消除環境污染問題提供了一條極具發展前景的技術路徑，引起國內外學者的研究興趣。

光催化反應的進行應符合熱力學以及動力學要求，既要求光催化材料具有較窄的能隙，以便吸收更多的光能產生光生電子與空穴，又要求光催化材料的具有適當大的能隙，以便具有合適的氧化還原勢發生催化反應。目前常用的TiO2、WO3等光催化材料被廣泛研究，但是效率很低：單一催化劑存在可見光利用率低或電子空穴複合率高的問題，嚴重製約了其光催化制氫性能。

Cd0.8Zn0.2S/Au/g-C3N4光催化產氫的過程（來源：Science Bulletin）

【簡介】鑒於此，中國科學院新疆理化技術研究所環境科學與技術研究室科研人員通過對植物光合作用的細緻研究發現其主要有兩個光系統和一個光合鏈組成。光系統 II (PS II) 吸收光後發生水的氧化反應，其產生的電子通過傳輸通道-「光合鏈」-傳遞給光系統 I (PS I)。PS I 吸收光能後產生電子，形成具有強還原態輔酶 II (NADP) 用以還原 CO2 生成糖類物質，而自身被由 PS II 傳來的電子所還原。電子傳遞鏈呈「Z」字形，因此稱為 Z 型反應，該反應的量子效率接近 100%。人工Z型光催化體系由氧化反應催化劑(PS II)、還原反應催化劑(PS I)和電子介體組成。在光照射下，Z型光催化體系的兩種催化劑均產生光生電荷，PS II的光生電子遷移至電子介體，然後與PS II的光生空穴複合，而PS I中光生電子發生還原反應，PS II中光生空穴發生氧化反應。

Z型光催化體系具有突出的優點：(1)藉助雙光子激發過程，在不同的光催化劑上分別完成還原反應和氧化反應；(2)Z型光催化體系中的光催化劑只需分別滿足各自的光激發過程和對應的半反應，降低了光催化反應的熱力學要求，為光催化材料的選擇和設計提供了很大空間；(3)氧化反應和還原反應過程相互分離，有效抑制逆反應的發生；(4)利用電子介質，Z型光催化體系中的光生電子與空穴能夠有效分離與傳輸，保持較強的氧化還原能力；(5)產氫催化劑的光生空穴與產氧催化劑中的光生電子相複合，增強了光催化體系的穩定性。

經過上述一系列研究沉澱，該研究團隊近日通過光沉積法，在g-C3N4基底上生長Au納米顆粒，然後在Au上負載CdxZn1?xS固溶體，製備了Z型CdxZn1?xS/Au/g-C3N4光催化劑，對其結構、形貌和光學性能進行了系統研究。以葡萄糖為犧牲劑，研究了Z型光催化劑在可見光（λ>420nm）下光解水製備氫氣的性能。結果表明，Cd0.8Zn0.2S/Au/g-C3N4具有優異的產氫性能，分別是Au/g-C3N4和CdS/Au/g-C3N4的52.2倍和8.63倍；Z型光催化劑產氫活性的提高主要歸因於其光生載流子的高效分離。此外，Cd0.8Zn0.2S的引入，可以抑制光催化過程中副產物CO和CO2的產生。

【應用】該催化材料有著獨特的電子結構、穩定的化學性能和顯著的可見光催化活性。該催化體系的催化效率高、電子-空穴複合率低，為設計高效光催化產氫催化劑提供了新思路，在光催化領域展現出了巨大的應用潛力。因此該研究結果，作為「front cover」發表於《科學通報》（Science Bulletin）。

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