第一作者：鲍金玉
通讯作者：田宏伟、胡小颖
DOI:0.06/j.jcis..2.06
前言年2月，JournalofColloidandInterfaceScience杂志在线发表了吉林大学田宏伟教授团队在光催化领域的最新研究成果。该工作报道了通过将二硫化钼助催化剂负载在石墨氮化碳和镍酸镧表面，形成Z-scheme异质结构，可用于实现全面且增强的光催化性能，包括光催化制氢，降解有机污染物和催化还原重金属离子。论文第一作者为：鲍金玉，论文通讯作者为：吉林大学田宏伟教授、长春大学胡小颖教授。
背景介绍光催化技术是解决多重复杂环境污染和能源危机的有效手段，它不仅可以实现水的分解，将太阳能转化为氢能，还可以通过光催化材料实现污染物的降解。目前，镍酸镧(LaNiO?)具有无*、结构灵活、光响应范围宽、成本低等优点，被认为是一种很有前途的光催化剂。然而，纯LaNiO?的低导带位置和高光生载流子复合作为主要瓶颈，极大限制了其光催化性能。因此，合理设计LaNiO?与其他半导体的耦合，提高其光催化效率(如I、II、III型异质结和z型异质结)势在必行。该团队将Z型异质结与助催化剂结合，将MoS?薄片负载在由LaNiO?纳米立方体嵌入层状g-C?N?所形成的杂化材料表面上，获得了具有多个附着点的良好异质结构。实验研究证实，Z型异质结极大保留了光生电子和空穴的强氧化还原能力。MoS?作为助催化剂，进一步促进了界面电荷分离和传输。Z型异质结与助催化剂的协同效应有效地实现了光生载流子从“慢转移”向“高转移”的转变，促进了光催化制氢和污染物降解。
本文所用仪器图表解析如图所示，对样品进行了XRD、FTIR、UV-Vis和XPS表征测试，验证了LaNiO?/g-C?N?/MoS?异质结的形成。g-C?N?、MoS?和LaNiO?的耦合不影响LaNiO?光催化剂的晶相和结晶度，形成一种稳定的结构。XPS光谱中结合能的变化揭示了三种组分在界面上的强烈相互作用。即电子从LaNiO?流向g-C?N?，并达到热力学平衡。MoS?的引入并没有改变这种电子转移模式，三者界面之间存在紧密的异质结构。
如图2所示，水热过程中MoS?纳米花被分散，形成负载在LG5表面的MoS?纳米片，进而形成结构紧密的异质结。图2f所示，晶格间距为0.nm的条纹对应于LaNiO?的(0)晶面，而晶格间距为0.62nm的条纹对应于MoS?的()晶面。g-C?N?、LaNiO?和MoS?之间的界面区域清晰可见，表明三种组分之间密切的界面接触，存在多个连接位点，能够促进载流子的迁移。
如图3a和b所示，LG5-0M的H?生成速率最高，为45.9μmol·h-，分别比LG5和纯g-C?N?高4.9倍和9.倍；这个值与Pt负载的LG5(LG5/wt%Pt)和一些含有贵金属的光催化体系相当。如图3c和d所示，性能最好的LG5-0M复合材料20min内降解了近9.6%的盐酸四环素(TC)。如图3e和f所示，LG5-0M复合材料20min内Cr(VI)的还原率为96.6%。LG5-0M复合材料催化活性显著增强的部分原因是LaNiO?纳米立方体和g-C?N?纳米片形成了能带匹配的异质结构，从而促进了光生载流子的转移和空间分离。另一个重要的影响因素是MoS?不仅可以作为助催化剂促进电子转移，而且可以作为光敏剂扩大可见光吸收范围。
如图4所示，通过光学和电化学实验研究了光激发载流子的电荷转移动力学。结果表明，由于MoS?插入到LaNiO?和g-C?N?的异质结，使其具有更有利的界面电荷转移。在LaNiO?向LG5-0M逐渐过渡的过程中，电荷转移速度也在增加。另一个重要的影响因素是MoS?不仅可以作为助催化剂促进电子转移，而且可以扩大可见光吸收范围。
为深入探究LG5-0M参与反应的光催化机理，进行了一系列自由基捕获实验和ESR测试，结果表明超氧自由基是反应中最重要的活性自由基，印证了Z型异质结构的形成。结合能带位置和XPS分析，在Z-scheme体系和助催化剂的协同作用下，经过光激发，LaNiO?和g-C?N?产生光生电子和空穴，经过层层转移，电子在MoS?上积累，空穴在LaNiO?VB上积累。因此，实现了全面高效的光催化性能。
全文小结该工作成功制备了新型的LaNiO?/g-C?N?/MoS?Z型光催化剂。优化后的LG5-0M光催化剂产氢率最高，为45.9μmol·h-。此外，在可见光下，LG5-0M光催化剂在20min内有效地还原了96.6%的Cr(VI)，降解了9.6%的盐酸四环素溶液。通过精心构建Z-scheme异质结构与助催化剂的协同机制，可显著提高LaNiO?/g-C?N?/MoS?光催化剂的光吸收强度，增强氧化还原动力学，加速光生成载流子的生成、转移和迁移。本研究为构建高效的纳米结光催化剂以解决能源转化和环境污染问题提供了一个新的方向。
作者简介田宏伟，吉林大学教授。主要研究方向为：光催化，电催化，超级电容器等。
国家自然科学基金通讯评审专家、教育部相关人才计划通讯评审专家、教育部学位中心通讯评议专家、吉林省自然科学基金通讯评审专家。从事能源存储和转换材料研究，主持2项国家自然科学基金项目、项国防项目、6项省部级项目和4项企业横向项目。在Adv.Funct.Mater.、ApplCatal.B-Environ.、Chem.Eng.J.等上发表SCI收录论文06篇，SCI他引次(h-index=27)；获授权国家发明专利4项；获吉林省科学技术一等奖两项(排名第五和第六)、自然科学二等奖一项(排名第一)。
文献信息：JinyuBao,XintaoJiang,LingzhiHuang,etal.MolybdenumdisulfideloadingonaZ-schemegraphiticcarbonnitrideandlanthanumnickelateheterojunctionforenhancedphotocatalysis:Interfacialchargetransferandmechanisticinsights.JournalofColloidandInterfaceScience2,6,-.