云南大学Nano Energy：双S型异质结实现多通道电荷转移，增强光热-光催化性能

具有节能环保优点的光催化技术在能源和环境领域显示出广阔的应用前景。在过去的几十年里，研究人员一直致力于开发低成本、高性能和环境友善的光催化剂。作为一种仅含碳和氮元素的稳定的高分子半导体材料，g-C₃N₄因其合成方法简单、结构稳定以及具有合适的带而被认为是一种具有实际应用潜力的光催化剂。

同时，金属硫化物(如CdS和Bi₂S₃)由于其独特的电子结构、窄的禁带宽度和优异的光响应，被认为是设计高活性异质结催化剂的最佳候选者之一。因此，将g-C₃N₄与Bi₂S₃和CdS合理结合来构建三元异质结光催化剂，预计可以促进电荷分离、提高光吸收和利用率、缓解光腐蚀和提高催化剂寿命。

近日，云南大学王毓德课题组设计了一种三维自支撑B-g-C₃N_x/Bi₂S₃/CdS (BDCN/BS/CS)双S结构异质结光催化体系，实现了多通道快速电荷转移。实验结果表明，所制备的BDCN/BS/CS光催化剂的产H₂速率高达4.78 mmol⁻¹ g⁻¹，是纯DCN的25倍；并且该催化剂在150 min内对地霉素(OTC)的降解率高达98.6%，比DCN提高了156%，这可归因于双S型异质结和光热效应的协同作用促进了电荷分离，提高了化学反应速率。

更重要的是，经过5个循环反应后，BDCN/BS/CS光催化剂的结构和形貌未发生明显变化，表明其具有优异的稳定性。

光谱表征和理论计算表明，费米能级差导致电荷在BS、CS和BDCN之间的接触面上重新分布，形成一个指向BDCN的双内建电场。在光照条件下，BDCN的CB上的光生电子在内建电场的驱动下，沿着两条不同的路径转移到BS和CS的VB上。并且，在双S型电荷转移机制中，氧化还原能力弱的光生电子和空穴重新复合，而氧化还原能力强的光生载流子完成空间分离。

更重要的是，BS和CS的CB上的电子可以与氢质子反应生成H₂以及将表面吸附的O₂还原为•O₂⁻；BDCN的VB上的光生空穴与水反应形成•OH，其能够与•O₂⁻共同降解污染物。此外，BS和CS的引入拓宽了光催化剂的光谱响应，产生了强烈的光热效应，进一步提高了电荷转移和催化反应速率。

综上，该项工作阐明了双S型异质结促进电荷空间分离的机理，为构建具有多通道电荷转移特性的高性能S型光催化剂提供了理论指导。

Multi-channel charge transfer in self-supporting B-g-C₃N_x/Bi₂S₃/CdS dual S-scheme heterojunction toward enhanced photothermal-photocatalytic performance. Nano Energy, 2023. DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.109164