直接Z型异质结材料综述

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1、直接Z型异质结材料综述一 前言 由于化石能源储量有限及其使用中带来的环境污染，开发新的、可再生的清洁能源成为关系人类生存和可持续发展的重大课题。太阳能是最洁净而又取之不尽的自然能源，光合作用是绿色植物在光照作用下将二氧化碳和水转化为碳水化合物的过程，人类赖以生存的能源和材料都直接和间接地来自光合作用。人工光合作用 (即模拟自然界中的光合作用)是在光辐照下，利用光催化剂将太阳能转化为氢能(或碳氢燃料)，也可以净化环境。因此，光催化剂有望成为新能源利用和环境净化的关键，为未来能源利用和环境污染处理提供一个可行的突破口，其中Z型光催化材料具有更优秀的氧化还原能力，它的应用代表了当前最前沿的新能源利用

2、和环境净化的发展趋势，展现出广阔的应用前景。二 正文Z 型光催化反应体系的机理自然界中，Z型光反应系统是植物光合作用光反应阶段的重要组成部分，由两个光化学反应和一系列的中间酶促氧化还原反应组成。电子的传递过程如图1所示，首先，叶绿素P680 (PS II)在光照射下成激发态 P680*，水分子在叶绿素 P680上发生氧化反应生成 O2，在细胞色素、蛋白酶等的作用下，电子由 P680*转移至叶绿素 P700 (PSI)叶绿素 P700 光照激发后，产生的光生电子最终在酶的作用下与 NADP+结合生成还原型辅酶 II(NADPH)，用以还原 CO2合成碳氢氧化合物。电子的转移过程在图中构成类似英文

3、字母 Z 的形状，故而称之为Z型。这个体系首先Bard由在研究了植物的光合作用后于1979年提出。图1 植物光合作用过程中电子的Z型传递示意图推荐精选光合作用中Z型光反应的产氧和生成 NADPH 分别发生在两个不同的部位人工 Z型光催化剂模仿其特点，构造了 PS I 与 PS II 反应体系，有效的避免电子与空穴的快速复合。在人工 Z 型光催化体系中，PS I 和 PS II 分别由两光催化剂构成，两半导体之间通过能级结构耦合，光催化性能优于单一组分的光催化剂。Z 型光催化反应材料的分类离子态 Z 型光催化材料：是较早研究的 Z 型光催化体系，其反应依靠氧化还原电子介体的电荷传输，常见的氧化还

4、原电子介体有如下几类：Fe3 +/Fe2 +、IO3-离子态Z 型光催化反应的电荷传递机理如图 2 所示。PS II的价带受到光激发，电子跃迁至导带处，PS II 价带处的空穴可以将 H2O 氧化为 O2，并产生氢离子。PS II 导带处的激发态电子与氧化还原电子介体中的高价态离子反应，而被消耗。PS I的价带受到光激发，电子跃迁到导带处将 H+还原为氢气。PS I 价带的空穴与氧化还原电子介体中的低价态离子反应生成高价态离子。图2 离子态Z型光催化反应电荷传递示意图固态Z型光催化材料：包括无导电介质（图3a）和有导电介质（图3b）的固态Z型光催化剂两类，其光催化体系与离子态Z型光催化体系的催

5、化机理又有所差异，固态Z型光催化体系不含氧化还原电子介体，电荷直接通过界面传输，缩短了传输距离，提高了光催化效率。如图 3(b)所示，在光照条件下，PS I 和 PS II 的价带留下光生空穴，电子被激发到 PS I 和 PS II 的导带上。PSII 价带上的光生空穴有很强的氧化能力，能够氧化水、有机污染物等。PS II 导带上的电子与 PS I价带的空穴在导电介质上湮灭。PS I导带处的激发态电子有很强的还原能力，能产氢，还原 CO2等。无导电介质的 Z 型光催化剂电荷传输机理和上述相似。推荐精选图3 全固态光催化材料电荷传递示意图Z型光催化材料vs传统的异质结纳米复合光催化材料 Z型光催

6、化材料较之传统的异质结纳米复合光催化材料往往具有更强的氧化还原能力。这是因为异质结型光催化材料的氧化反应和还原反应分别发生在 PS I 和 PS II 的价带及导带上，虽有利于光生电子和空穴的分离，但PS I的价带位置相对于 PS II 靠上，氧化能力减弱；PS II 的导带位置相对于 PS I靠下，还原能力减弱。因此，异质结光催化材料相对于 PS I、PS II 随拓宽了它们的光响应范围，但导致它们相应的氧化、还原能力下降。复合Z型光催化材料既能保证宽的光响应范围，又能提高 PS I 及 PS II 的氧化、还原能力，因而显示出更强的应用前景。Z 型光催化体系对 PS I 和 PS II 的

7、能隙有一定要求，PS II 的导带电势必须要比 PS I 的价带电势低，两者的导带、价带电势要有一定范围的落差。PS II的价带电势越正，Z型光催化体系的氧化能力越强；PS I的导带电势越负，Z型光催化体系的还原能力越强。离子态Z型光催化vs全固态Z型光催化材料 Z型光催化体系研究历程中，由于氧化还原电子介体缺陷的缘故，离子态Z型光催化剂逐渐被固态Z型光催化剂所取代。其主要缺点如下：(a) 容易发生副反应，氧化还原电子介体中的高价态离子容易与PS I的导带电子发生反应，同理，氧化还原电子介体中的低价态，离子也会发生类似的发应；(b) 半导体光吸收减少，氧化还原电子介体吸收了部分入射光；(c)

8、应用范围狭窄，仅限于光解水一类；(d) 不能按比例产氢和产氧；(e) 光解水时逆反应程度高。而不含氧化还原电子介体的固态Z型光催化剂很好的克服上述离子态Z型光催化反应中存在的大多数的问题。在固态Z型光催化反应体系中，电荷直接通过界面接触传输，缩短了传输距离，降低了副反应的发生几率，提高了可见光利用率和光催化效率，其应用领域不仅仅限于光解水。故而，离子态Z型光催化剂逐渐被固态Z型光催化剂所取代。Z型异质结材料的发展概况 Z 型反应电子传输介质经历了从离子态到固态的转变。1997 年，Sayama 等首次报道了WO3，Fe3+/Fe2+组成的双光子激发光催化分解水制氢悬浮体系的研究结果。 Fe2+

9、吸收光产生的 Fe2+和H+ 作用放出 H2，生成的Fe3+ 则被光激发 WO3产生的电子还原为 Fe2+，而光激发产生的价带空穴则把 H2O 氧化成 O2。1998 年，Fujihara 等报道了利用 Ti O2组成的 Z 型光分解水反应。Kudo及其合作者将Pt/Sr Ti O3: Rh与BiVO4， Bi2MoO6等作为光催化剂， Fe2+/Fe3+ 为电荷传递体，建立了具有可见光响应的Z型反应体系，在 440nm 的量子产率达到了 0.3%，把光响应拓展到了520 nm。 此后 Z 型体系在太阳能水的全分解中广泛报道，如 Pt/SrTiO3 Rh-BiVO4-Fe3+/Fe2+，Pt/

10、TaON-PtOx/WO3-IO3/I， Fe3+/Fe2+， IO3/I是电子传输介质。Z 型水分解体系中的两种光催化剂以及电子介体往往悬浮在液体中 影响光的高效吸收，电子亦不能进行有效传递; 在一定条件下，离子型电子介质可能会被光生电子(或空穴)选择性的还原 (或氧化)，或与H2(O2) 发生反应;离子型电子介质还可能会引起一些逆反应; 有颜色的离子型电子介质还可能会吸收一部分入射光。因此，在光催化水分解体系中，人们开发出全固态 Z型反应体系。2006 年，Tada 等报道了利用Au作为空间电子传输介质的 Z 型结构。CdS导带上Z型异质结材料的应用光生电子用于光还原， Ti O2价带上的

11、光生空穴用于光氧化，AuCd S/Ti O2电子吸收光谱的波长偏移证实TiO2导带上的光生电子经 Au 传输至CdS价带上与空穴复合。半导体面间接触也可实现 Z型反应， 而具有良好导电性的 Au， W、还原石墨烯(RGO)等成为光生电荷传输通道，与半导体形成欧姆接触，有利于光生电子空穴界面转移和传输。推荐精选Z型光催化材料的应用1. H2O分解氢能具有无污染， 燃烧值高， 资源广泛等优点。目前主要的制氢途径有化石资源重整和电解水， 但是化石资源重整需要消耗自然界有限的化石资源且造成环境污染， 电解水需要消耗额外的电能。 而利用丰富的太阳能和水资源，光分解水制氢，不会产生环境污染和消耗额外的能源

12、， 被认为是最理想的制氢途径，因而受到世界各国的广泛重视。因此，利用太阳能分解水制氢气是未来新能源发展的方向。对于单个半导体，吸收大于能带的光子， 电子被激发至半导体的导带用于H2O还原产生H2，同时空穴在价带上产生并用于H2O氧化产生O2。半导体必须满足水分解的对氧化还原电位的要求， 导带底要比H+的还原电势更负 (EH2O/H2= 0.41 e V，相对于氢电极，p H = 7)，价带顶要比H2O的氧化电势更正 (EH2O/O2= 0.82 e V， 相对于氢电极，p H = 7)。 因此， 对半导体带隙 Eg的要求是大于1.23 e V。 自Fujishima和Honda 发现光催化分解

13、水成 H2和 O2后，光催化分解水制氢研究成为全世界关注的研究方向， 开发了一系列半导体光催化剂。早期光催化研究主要集中在紫外光响应的Ti O2( 400 nm) 上，但紫外线仅约占太阳光谱4%， 对太阳能的利用率很低。 窄带隙的半导体有利于光吸收，但还原氧化能力受限。 到目前为止，仅仅利用太阳光在一个半导体上水的全分解很难实现，原因可能是对于单个半导体材料，Ox/Red 不能分别俘获光生电子和空穴实现转换，半导体氧化还原能力有限; 同时，还原位点和氧化位点在同一半导体而产生的逆向反应(2H2+ O2 2H2O) 也制约了水的全分解。 Z 型光催化材料可以选择窄带隙， 导带底比H+的还原电势更

14、负的PSI，价带顶比 H2O 的氧化电势更正的 PSII， 既能保证对光的充分利用， 强的氧化还原能力， 还为水的全分解实现提供途径。H+在PSI上被还原成H2，H2O在PSII上被氧化成O2，还原，氧化位点在不同的半导体上有利于光生载流子的有效分离，有利于产物 H2，O2的分离，有效抑制逆向反应的进行。 近年来，Z型光催化材料已经被广泛的用于水的全光解（如表1）。随着 Z 型光催化材料广泛应用， 光催化全水分解的量子效率得到很大提升。例如，2004 年 Kudo 首次报道了Z 型光催化材料 Pt/SrTi O3-BiVO4- Fe2+/Fe3+体系具有 0.3% 的量子效率 ， 2009 年

15、其量子效率增加到 1.7%，为原来的六倍左右，而到 2013 年它的最高效率达到了4.2%。因此，Z 型光催化体系表现出在光解水制氢方面的巨大潜力。 另一方面， 固态电子传输介质被首先应用于Z型光解水体系，2006 年，Tada 等用电子吸收谱的偏移首次证实了Au可以作为Cd S-TiO2-Au Z型光催化材料的电子传输介质。此后，Ag，RGO，Cd等具有良好导电性的固体被依次的应用于 Z 型复合材料结构中。王达等将GO引入SiC/BiVO4复合物催化剂中。此催化剂中，光生电子以型传导路径进行传输。GO的引入，进一步増加了光生电子寿命，催化性能最佳的样品SiC/GO/BiVO4的达到4.67n

16、s，相比SiC，提高了31.2。引入的GO，在反应过程中被部分还原为RGO，其优异的导电性能，提高光生电子在此复合物中的转移速率。又以Pt/SiC为产氢催化剂，WO3为产氧催化剂，I-/IO3-为氧化还原离子对，构建了Z型光傕化全解水的反应体系。负载的Pt的最佳含量为化5（wt），反应溶液的最佳pH值为3。推荐精选表1 目前报道的Z型光催化水分解体系2. CO2还原 CO2还原， 即人工光合作用， 将CO2还原为碳氢燃料 (如甲烷)， 是一个多电子参与的光催化还原反应。 当入射光的能量大于或等于半导体的带隙 Eg时， 半导体价带上的电子吸收光子被激发， 进入能量较高的导带，而在价带上留下空穴，即在半导体中产生光生电子 -空穴对，并从半导体内部迁移至表面。光生电子具有很强的还原能力，以H2O作为还原剂，能将 CO2还原从而得到HCHO， HCO