氧空位增强型Er2O3/ZnIn2S4 S型异质结的构建及其上转换发光辅助光催化CO2还原性能研究

为突破光催化CO2还原中光生载流子复合严重和光响应范围窄的瓶颈，研究人员通过两步水热法构建了具有氧空位（OVs）的Er2O3/ZnIn2S4 S型异质结。该材料利用稀土元素的上转换发光特性（UC）拓宽光捕获范围，氧空位优化电荷分离并提供反应位点，最终使CH4产率提升564倍（达60.3 μmol·g?1·h?1），为设计高效光催化剂提供新范式。

　　

在全球气候变暖与能源危机的双重压力下，将温室气体CO₂转化为高附加值燃料的“光催化还原技术”被视为理想解决方案。然而，传统光催化剂如TiO₂和g-C₃N₄面临光生载流子快速复合、可见光利用率低等核心挑战。尽管通过掺杂、缺陷工程等手段已取得进展，但如何协同调控材料的光捕获与电荷分离能力仍是领域难题。

针对这一科学问题，上海理工大学的研究团队创新性地将具有上转换发光特性的稀土氧化物Er₂O₃与窄带隙半导体ZnIn₂S₄（ZIS）结合，通过两步水热法构建了氧空位修饰的S型异质结。该工作首次将稀土元素的UC特性与S型电荷转移机制耦合，同时引入氧空位作为“电子高速公路”，实现了CO₂还原效率的突破性提升，相关成果发表于《Fuel》。

研究团队采用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等技术确认材料结构，通过电子顺磁共振（EPR）验证氧空位存在，并利用瞬态荧光光谱（PL）和电化学测试揭示电荷分离机制。光催化实验在300 W氙灯下进行，采用气相色谱（GC）定量产物。

Phase and structure analysis
XRD证实成功制备立方相Er₂O₃和六方相ZnIn₂S₄的复合结构。XPS显示氧空位导致Er 4d轨道结合能偏移0.8 eV，表明电子局域化增强。

Optical and electrochemical properties
UV-Vis DRS测试显示异质结可见光吸收边扩展至650 nm，EPR在g=2.003处出现特征峰，证实氧空位存在。电化学阻抗谱（EIS）表明1.5-EZ样品电荷转移电阻降低75%，证实氧空位促进载流子迁移。

Photocatalytic performance evaluation
最优样品1.5-EZ的CH₄产率达60.3 μmol·g^?1·h^?1，为纯Er₂O₃的564倍。同位素标记实验证实碳源来自CO₂，原位红外光谱捕获到关键中间体*COOH。

Conclusions
该研究通过构建Er₂O₃/ZnIn₂S₄ S型异质结，实现三重协同效应：1）稀土UC特性将红外光转换为可见光；2）氧空位作为电子陷阱抑制复合；3）内建电场驱动S型电荷转移。这为设计“光捕获-电荷分离-表面反应”全链条优化的光催化剂提供了新思路，对推动碳中和技术的实际应用具有重要意义。