Z 型金属氧化物 - 硫族化物异质结在多种光照条件下实现高效电荷转移动力学与绿色制氢

为解决 TiO2可见光响应不足及载流子复合快的问题，研究人员制备 TiO2-CdS 异质结，通过调控配比优化性能。发现等质量比样品光吸收广、载流子寿命长，薄模式产氢提升 6 倍，Z 型电荷转移机制促进产氢，为大规模制氢提供新路径。

　　

在全球能源危机与环境污染双重挑战下，清洁能源的开发成为科研焦点。光催化产氢（PHP）作为一种利用太阳能转化为氢能的绿色技术，被寄予厚望。然而，传统光催化剂二氧化钛（TiO₂）因宽禁带（仅响应紫外光，而可见光占太阳辐射约 45%）和光生载流子复合速率快等缺陷，限制了其实际应用。如何拓展 TiO₂的可见光响应范围并优化电荷转移动力学，成为提升光催化效率的关键科学问题。

为攻克上述难题，国内研究机构的研究人员开展了一项针对 TiO₂- 硫化镉（CdS）异质结光催化剂的系统性研究。该团队通过简单水热法制备了不同重量比的 TiO₂-CdS 纳米复合材料，旨在探究其在可见光、紫外光和太阳光下的光催化产氢性能，并揭示电荷转移机制与光照条件的关联。研究成果发表在《Applied Surface Science》，为高效光催化剂的设计提供了新思路。

研究采用的主要关键技术方法包括：通过 X 射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）及能谱分析（EDX）表征样品的晶体结构与元素组成；利用紫外 - 可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）分析光吸收特性；借助光致发光光谱（PL）、电化学阻抗谱（EIS）和瞬态光电流测试（I-T 曲线）研究载流子复合动力学；通过自由基捕获实验验证电荷转移机制；最后在石英反应器中进行光催化产氢测试，对比颗粒态与薄膜态的产氢效率。

结果与讨论

结构与光学性能表征

XRD 结果显示，纯 TiO₂呈现锐钛矿相特征峰，CdS 与 TiO₂-CdS 复合材料均结晶良好且无杂质相。UV-Vis DRS 表明，等重量比样品（CTA2）的光吸收范围拓展至 590 nm，显著优于纯 TiO₂，证实异质结构建有效提升了可见光响应能力。

载流子动力学优化

PL 光谱显示，CTA2 的荧光强度最低，表明其载流子复合率最低。EIS 结果显示，该样品的电荷转移电阻最小，进一步印证了高效的电荷分离效率。通过莫特 - 肖特基曲线（M-S 曲线）和紫外光电子能谱（UPS）分析，确认 TiO₂与 CdS 均为 n 型半导体，其能带结构匹配形成 Z 型电荷转移机制，即光生电子与空穴分别在 CdS 导带和 TiO₂价带累积，从而保留强氧化还原能力。

光催化产氢性能

在三种光照条件下，CTA2 的产氢量均显著高于纯 TiO₂和 CdS。其中，太阳光下产氢量较纯 TiO₂提升 10 倍以上，可见光下的表观量子产率（AQY）达 [具体数值需参考原文]。值得注意的是，薄膜模式产氢效率较颗粒态提升 6 倍，归因于更大的光吸收面积与更有序的电荷传输路径。

电荷转移机制验证

自由基捕获实验表明，在紫外与太阳光照射下，超氧自由基（?O₂^-）和空穴（h⁺）是主要活性物种，证实了 Z 型电荷转移机制的主导作用，即光生电子在 CdS 导带参与产氢，空穴在 TiO₂价带氧化牺牲剂，避免了传统 II 型异质结中载流子能量损失的缺陷。

结论与意义

本研究通过调控 TiO₂与 CdS 的重量比，成功构建了具有高效 Z 型电荷转移的异质结光催化剂。等重量比样品 CTA2 兼具宽光吸收范围、长载流子寿命和高稳定性，其薄膜模式进一步提升了产氢效率。该工作不仅揭示了光照条件对电荷转移动力学的影响规律，还为设计低成本、高稳定性的可见光响应型光催化剂提供了实验依据与理论指导，有望推动光催化产氢技术向规模化应用迈进。研究成果对于缓解能源短缺、减少化石燃料依赖及实现 “双碳” 目标具有重要科学意义与应用价值。