制备了经过氧空位修饰的二维-二维g-C3N4/ZnFe2O4异质结构，用于增强光催化甲基橙的降解性能和氢气的生成

《Materials Advances》：Fabrication of oxygen vacancy modified 2D–2D g-C3N4/ZnFe2O4 heterostructures for amplifying photocatalytic methyl orange degradation and hydrogen production

光催化异质结材料GCN/Ov-ZFO2的制备及其在甲基橙降解和产氢中的应用

　　近年来，随着全球能源需求的持续增长，寻找可持续且环保的替代能源已成为科研领域的重要课题。太阳能作为一种清洁、可再生的能源形式，被广泛应用于多种环境和能源相关的催化过程。其中，半导体光催化技术因其环境友好性和经济性，成为实现光解有机污染物和光产氢的有力手段。为了提高光催化效率，研究者们不断探索新的材料结构和性能优化策略。本文提出了一种基于2D–2D异质结构的光催化剂，即g-C?N?（GCN）与富氧空位的ZnFe?O?（ZFO）异质结（GCN/O?–ZFO），并揭示了其在光催化降解甲基橙（MO）和产氢方面的卓越性能。

GCN和ZFO分别因其独特的二维结构、良好的可见光响应和非毒性特性而受到广泛关注。GCN具有较大的比表面积和丰富的π共轭结构，而ZFO则具有较窄的带隙和良好的氧化能力。然而，单独使用这两种材料时，仍然存在诸如电子-空穴对复合率高、可见光响应范围有限等问题。因此，通过构建异质结构，实现两者之间的协同作用，成为提高光催化性能的有效策略。在本研究中，通过热解法将ZFO纳米片与GCN前驱体（DCDA）结合，形成了一种2D–2D异质结构，并通过引入氧空位进一步优化其性能。

合成过程采用了一种策略性的两步法。首先，通过溶胶-凝胶法和TEA作为配体与模板，合成了具有2D形态的ZFO纳米片。TEA在金属离子的配位和定向生长中发挥了重要作用，不仅促进了金属羟基的均匀分布，还引导了ZFO纳米片的形成。随后，将ZFO纳米片与DCDA在550 °C下进行热处理，最终形成了GCN/O?–ZFO异质结。通过SEM、TEM和HRTEM分析，证实了异质结的形成，并且高温度处理引入了氧空位，提升了材料的表面活性和光吸收能力。

在性能评估方面，GCN/O?–ZFO2表现出显著优于原始GCN和ZFO的光催化性能。在MO降解实验中，其降解效率达到了99.54%，分别比原始ZFO和GCN高3.7倍和1.8倍。同时，在光产氢实验中，其产氢速率高达735.4 μmol g?1 h?1，远超原始ZFO和GCN。这种性能提升主要归因于几个关键因素：首先，2D–2D异质结构减小了电荷传输路径，从而降低了电荷复合概率，提高了电荷迁移效率；其次，氧空位的引入不仅提供了更多的活性位点，还通过形成中间能级增强了可见光的吸收能力；此外，直接Z-方案电荷转移机制促进了电子和空穴的高效分离和迁移，从而提升了材料的氧化还原能力。

XPS分析进一步揭示了GCN/O?–ZFO2中氧空位的存在。通过高分辨XPS谱图，发现氧空位对应的信号出现在531.47 eV附近，表明氧空位的形成有助于调节材料的能带结构，降低带隙能量，进而提升可见光响应。同时，XRD分析表明，GCN/O?–ZFO2的晶粒尺寸减小，晶格微应变增加，这些变化可能与氧空位的引入有关，进一步支持了其结构优化和性能提升的结论。

在光催化反应机制方面，研究通过捕获实验和能带边势能计算，确认了GCN/O?–ZFO2的直接Z-方案电荷转移特性。光激发后，ZFO的价带（VB）中产生空穴，参与水氧化反应（WOR），生成羟基自由基（˙OH）；而GCN的导带（CB）中积累的电子则参与氧还原反应（ORR），生成超氧自由基（O?˙?）。这两种自由基协同作用，高效降解MO，同时推动水分解产氢。此外，氧空位的存在增强了材料的表面活性，使其能够更好地吸附和活化反应物，进一步提升了催化效率。

为了验证材料的稳定性和可重复使用性，研究人员进行了五次连续的循环实验。结果表明，GCN/O?–ZFO2在五次循环后仍然保持了较高的MO降解效率和产氢速率，分别为99.54%和735.4 μmol g?1 h?1。XRD和FTIR分析显示，材料在循环后没有发生明显的结构变化，证明了其良好的结构稳定性。同时，没有检测到MO相关的峰，说明其被完全矿化，进一步验证了光催化反应的彻底性。

此外，研究还探讨了该材料在环境治理和能源生产方面的应用前景。通过将MO降解和氢气生产过程耦合在同一催化系统中，GCN/O?–ZFO2不仅能够高效去除污染物，还能实现可持续的氢气生产。这种多功能性使其在未来的绿色化学和清洁能源技术中具有广阔的应用潜力。

本研究的创新点在于通过简单的热处理方法，成功构建了2D–2D异质结构，并引入氧空位以进一步提升其性能。与传统的0D–2D异质结构相比，2D–2D结构更有利于电荷的高效分离和传输，从而显著提升了光催化效率。此外，研究还系统分析了材料的物理化学性质，包括其晶体结构、表面形貌、光学性能以及电化学特性，为设计和优化新型光催化剂提供了理论依据和实验支持。

在实际应用中，GCN/O?–ZFO2不仅适用于MO的降解，还可以用于其他有机污染物的处理，以及氢气的绿色生产。通过优化其合成方法和结构设计，有望进一步拓展其应用范围，提升其在实际环境治理和能源转换中的可行性。未来的研究可以探索更多材料组合和结构优化方案，以实现更高效的光催化性能和更广泛的应用场景。