氮掺杂生物炭促进ZnCdS/CoMoO4 界面电子转移以增强光催化产氢性能

针对光催化产氢中载流子传输效率低的问题，研究人员通过农业废弃物向日葵秸秆制备氮掺杂生物炭(NC)，构建ZnCdS/CoMoO4 -8/5%NC Z型异质结复合催化剂。该体系在5小时内实现701 μmol的产氢量，较纯ZnCdS和CoMoO4 分别提升8.09倍和64.03倍，为农业废弃物资源化利用提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源备受关注。然而传统制氢技术依赖化石燃料，存在高能耗、高排放等问题。光催化分解水制氢技术虽具有清洁可持续优势，但面临两大核心挑战：一是常用半导体材料如锌镉硫固溶体(ZnCdS, ZCS)存在严重的光腐蚀现象；二是异质结界面电荷重组导致载流子分离效率低下。与此同时，农业废弃物焚烧造成的环境污染问题日益严峻。如何将废弃生物质转化为高附加值材料，成为资源循环利用领域的重要课题。

北方民族大学的研究团队创新性地将向日葵秸秆转化为氮掺杂生物炭(NC)，并构建ZnCdS/CoMoO₄
-8/5%NC复合催化剂。研究发现该体系在5小时可见光照射下产氢量达701 μmol，较纯ZCS和钴钼酸盐(CoMoO₄
, CM)分别提升8.09倍和64.03倍。相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》，为农业废弃物高值化利用和高效制氢提供了新范式。

研究采用三大关键技术：1）通过尿素热解法制备氮掺杂生物炭；2）原位生长法构建Z型异质结；3）结合密度泛函理论(DFT)计算和光电化学测试揭示机理。实验选用宁夏银川农场的向日葵秸秆为原料，通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱证实NC成功掺杂并改变碳骨架电子结构。

结果与讨论

1. 材料表征：XRD显示复合催化剂保留ZCS的立方闪锌矿结构，拉曼光谱证实NC掺杂引起碳骨架扰动，产生更多活性位点。
2. 光电性能：DFT计算表明NC引入使费米能级上移，增强电子迁移率；瞬态光电流响应显示复合体系电荷分离效率提升3.2倍。
3. 机理阐释：Z型异质结与NC协同作用，既保持强氧化还原能力，又通过界面电场促进载流子定向迁移，产氢速率达52.31 mmol·h^-1
   ·g^-1
   。

结论与意义
该研究开创性地将农业废弃物转化为高效助催化剂，构建的Z型异质结实现三大突破：1）NC的sp²
杂化碳骨架加速界面电子转移；2）CM的氧空位促进水分子解离；3）ZCS的可见光响应范围扩展至650 nm。这项工作不仅为生物炭在能源领域的应用开辟新途径，更通过"以废治废"策略实现环境-能源协同治理，对推动碳中和目标具有重要实践价值。