S型CuO/CeO?异质结的设计：用于光催化转化聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料为高附加值化学品，并同时释放氢气

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Design of S-scheme CuO/CeO 2 heterojunction for photoreforming of polyethylene terephthalate plastic into value-added chemicals combined with hydrogen evolution

高效CuO/CeO?S-方案异质结催化剂光解PET产氢研究。通过优化异质结结构实现5.74 mmol g?1 h?1氢气 evolution rate，量子效率18.4%，显著优于单一催化剂。

　　塑料废弃物的不当处理对环境和人类健康构成了严重威胁。随着全球塑料产量的持续增长，如何高效、环保地处理这些废弃物成为亟需解决的问题。近年来，一种基于太阳能的光催化技术——光重整（photoreforming）——逐渐受到关注。该技术不仅能够将塑料垃圾转化为有价值的化学品，还能同时生成清洁能源氢气，为实现可持续发展目标提供了新的思路。本研究中，科学家们开发了一种高效的CuO/CeO?光催化剂，其独特的S型异质结结构显著提升了对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料的降解效率，并实现了高产率的氢气生成。

PET作为一种广泛应用的聚酯材料，因其优良的物理和化学性能被广泛用于纺织品和包装领域。然而，PET废弃物的处理却面临巨大挑战。传统的处理方式如焚烧和填埋不仅污染环境，还可能释放有害气体，对生态系统造成不可逆的破坏。相比之下，光重整技术通过光催化反应，将PET分解为可利用的化学中间体，同时利用光能驱动水分解产生氢气。这一过程在温和的反应条件下进行，避免了高温高压等极端条件对环境和经济成本的影响。因此，寻找一种高效、稳定且适用于可见光的光催化剂成为推动该技术发展的关键。

CuO和CeO?作为两种重要的半导体材料，各自具有独特的性质。CuO因其较窄的能带间隙（通常在1.21至1.8 eV之间）能够有效吸收紫外和可见光，使其成为光催化领域的理想候选材料。此外，CuO的低成本、无毒性和良好的化学稳定性也使其在构建异质结结构方面具有优势。然而，CuO在光催化过程中面临一个主要问题：光生电子和空穴的快速复合，这会显著降低其催化效率。为了解决这一问题，研究者们开始探索CuO与其他半导体材料结合的异质结结构，以提升其电荷分离能力。

CeO?作为一种具有中等能带间隙的半导体材料，因其非毒性、化学稳定性和易于合成的特点而受到广泛关注。其导带和价带分别位于-1.02 V和1.53 V（相对于标准氢电极），这使得它在光催化反应中能够有效地参与电子转移过程。然而，CeO?的光催化性能也受到一定限制，如能带间隙较宽、光吸收能力有限以及电荷复合速率较快等问题。这些问题限制了其在光催化降解塑料方面的应用。因此，如何通过异质结设计来优化CeO?的性能，成为研究的重点。

S型异质结（S-scheme heterojunction）作为一种新型的光催化剂结构，能够显著改善电荷分离和迁移效率。该结构通过在两种半导体之间形成内部电场（internal electric field, IEF），促使光生电子和空穴分别向不同的活性位点迁移，从而提高氧化还原反应的效率。这种设计不仅能够增强催化剂的稳定性，还能提升其在可见光范围内的响应能力，使其在实际应用中更具优势。本研究中，科学家们将CuO和CeO?结合，构建了一种S型异质结结构，以期在PET光重整过程中实现高效的氢气生成和塑料降解。

在实验过程中，CuO/CeO?异质结光催化剂的合成采用了沉积-沉淀法（deposition–precipitation approach）。首先，将5.25克的硝酸铜（Cu(NO?)?·3H?O）分散在80毫升的超纯水中，并持续进行磁力搅拌。随后，不同量的硝酸铈（Ce(NO?)?·6H?O）被溶解在12.5毫升的超纯水中，并缓慢滴加到已制备的铜溶液中。在整个反应过程中，溶液的pH值被严格控制，以确保CuO和CeO?能够均匀地结合形成异质结结构。通过这种方法合成的CuO/CeO?催化剂在结构和性能上均表现出优异的特性。

为了评估催化剂的性能，研究人员采用了多种分析手段。X射线衍射（XRD）结果表明，所制备的CuO/CeO?异质结具有清晰的晶体结构，其衍射峰与标准卡片数据相符，证实了材料的纯度和结晶度。此外，催化剂的比表面积和表面氧空位的分析进一步揭示了其在光催化反应中的优势。较大的比表面积意味着更多的活性位点可供反应发生，而氧空位则能够作为电荷载体的陷阱，有效抑制电子和空穴的复合，从而提升催化效率。

在光催化实验中，CuO/CeO?异质结展现出显著优于纯CuO和纯CeO?的性能。在模拟太阳光照射下，其氢气生成速率达到5.74 mmol g?1 h?1，分别比纯CuO和纯CeO?高出4.1倍和1.5倍。这一结果表明，S型异质结结构能够有效提升催化剂的光响应能力和电荷分离效率。同时，催化剂在35小时的连续反应中表现出良好的稳定性，其量子效率在460 nm波长下达到18.4%，进一步验证了其在可见光驱动下的高效性能。

从实验数据可以看出，CuO/CeO?异质结的优异性能主要归功于其独特的结构设计。S型异质结不仅能够促进电子和空穴的定向迁移，还能通过优化电荷传输路径提高反应效率。此外，CeO?的引入有助于增强催化剂的导电性，并减少电荷复合的可能性，从而进一步提升其光催化性能。这种协同效应使得CuO/CeO?异质结在PET光重整过程中表现出卓越的转化能力和产物多样性。

在实际应用中，CuO/CeO?异质结的开发为塑料废弃物的资源化利用提供了新的解决方案。通过光催化反应，PET不仅可以被高效降解为有价值的化学品，还能同步生成氢气，实现资源的双重回收。这种技术不仅符合绿色化学和可持续发展的理念，还能有效减少对化石燃料的依赖，推动清洁能源的发展。更重要的是，该技术在可见光下的高效响应，使其在大规模工业应用中更具可行性，避免了紫外光对环境和人体健康的潜在危害。

从经济和环境角度来看，CuO/CeO?异质结的使用具有显著优势。首先，CuO和CeO?均为相对廉价的材料，这降低了催化剂的制备成本，使其在大规模应用中更具经济性。其次，该催化剂的稳定性良好，能够在长时间的反应过程中保持高效性能，减少了更换和维护的频率。此外，其无毒性和良好的化学稳定性也使其在实际应用中更加安全可靠。这些特点使得CuO/CeO?异质结成为一种理想的光催化剂，适用于塑料废弃物的处理和清洁能源的生产。

尽管CuO/CeO?异质结在光催化PET降解和氢气生成方面表现出色，但其进一步优化和应用拓展仍需深入研究。例如，如何调整催化剂的组成比例以获得最佳性能，如何提高其在实际环境中的适应性，以及如何扩大其应用范围以处理更多类型的塑料废弃物，都是未来研究的重要方向。此外，探索该催化剂在其他光催化反应中的表现，如降解其他有机污染物或生成其他清洁能源，也将为该技术的推广提供更广阔的应用前景。

总之，本研究通过构建CuO/CeO?异质结，成功开发出一种高效的光催化剂，能够在可见光照射下实现PET塑料的高效降解和氢气的高产率生成。这一成果不仅为塑料废弃物的处理提供了新的技术路径，也为推动绿色能源的发展做出了重要贡献。未来，随着对催化剂结构和性能的进一步优化，这种技术有望在实际工业应用中发挥更大的作用，为实现碳中和和循环经济目标提供有力支持。