Zn3In2S6/C3N5三元异质结光催化剂协同高效产H2O2与苯甲醛的研究

为解决传统H2O2生产高能耗、低选择性问题，研究人员开发了ZnxIn2Sx+3/C3N5三元异质结光催化剂，实现了H2O2（2655.2 μM h-1）与苯甲醛（2685.9 μM h-1）的高效协同生产，AQE达1.1%，为绿色化学合成提供了新策略。

　　

在能源危机和环境污染的双重压力下，绿色化学合成技术成为研究热点。过氧化氢（H₂O₂）作为一种环境友好型氧化剂，广泛应用于消毒、漂白和有机合成等领域。然而，传统的蒽醌氧化法存在高能耗、环境污染等问题，而直接合成法则面临爆炸风险和低选择性挑战。光催化技术利用太阳能驱动氧气还原反应（ORR）生产H₂O₂，被认为是最具潜力的替代方案之一。与此同时，将H₂O₂生产与有机化合物氧化相结合，实现"一石二鸟"的协同光催化系统，正成为研究前沿。

目前，锌铟硫（Zn_xIn₂S_x+3）材料因其可调带隙和层状结构成为研究热点，但高化学计量比（x>1）变体的研究仍显不足。另一方面，富氮氮化碳（C₃N₅）因其丰富的氮活性位点和π-π共轭网络展现出优异性能，但其与Zn_xIn₂S_x+3的协同效应尚未被探索。针对这些问题，国内某研究机构的研究人员开展了一项创新性研究，通过构建Zn₃In₂S₆/C₃N₅三元异质结，实现了H₂O₂和苯甲醛的高效协同生产，相关成果发表在《Green Chemical Engineering》上。

研究人员采用回流法合成Zn_xIn₂S_x+3系列催化剂，通过熔盐法制备结晶C₃N₅（CCN550），并构建了不同负载量的yCCN/RZIS3复合材料。利用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等技术表征材料结构，通过光电化学测试和旋转圆盘电极（RDE）测量分析电荷转移机制和反应选择性。

3.1 材料物化性质表征
通过FESEM和EDX mapping证实RZIS3纳米片完全覆盖CCN550基底，形成紧密界面。XRD显示RZIS3具有六方晶系结构（JCPDF No. 01-089-3963），随着x增加，（006）晶面间距减小。HRTEM观察到0.32 nm（heptazine）、0.35 nm（triazine）和0.37 nm（RZIS3）的晶格条纹，证实了三元异质结的形成。XPS分析显示Zn²⁺（1022.2 eV）、In³⁺（445.2 eV）和S^2-（161.9 eV）的特征峰，元素比接近Zn₃In₂S₆理论化学计量。

3.2 光催化性能评估
RZIS3（x=3）表现出最佳性能，H₂O₂和苯甲醛产率分别为1430.9 μM h^-1和2473.2 μM h^-1。优化后的5CCN/RZIS3复合材料将产率提升至2655.2 μM h^-1和2685.9 μM h^-1，AQE达1.1%（420 nm）。O₂-TPD证实CCN550具有更强的O₂吸附能力，RDE测试显示5CCN/RZIS3对2e^- ORR的选择性（n=2.01）优于单一组分。

3.3 机理研究
瞬态光电流响应和EIS表明5CCN/RZIS3具有最优的电荷分离效率。莫特-肖特基测试显示RZIS3的导带电位（-1.41 V vs NHE）最负，有利于ORR。自由基捕获实验证实·O₂^-既是H₂O₂中间体，又参与苯甲醛形成。纯水对照实验排除了2e^- WOR途径，支持type-II异质结机制。

该研究创新性地构建了Zn₃In₂S₆/C₃N₅三元异质结光催化剂，通过结晶度调控和界面工程显著提升了电荷分离效率和O₂吸附能力。其重要意义在于：（1）揭示了高化学计量比Zn_xIn₂S_x+3（x=3）的优越性能；（2）开发了兼具heptazine/triazine相的CCN550作为高效助催化剂；（3）实现了H₂O₂生产和有机氧化的协同增效，为绿色化学合成提供了新范式。未来研究可结合DFT计算深入探究O₂吸附位点和反应能垒，进一步优化催化剂设计。