碳量子点修饰g-C3N4/Co3O4 Z型异质结的光催化产氢与染料降解协同增效机制研究

针对传统光催化剂可见光利用率低、载流子复合率高等问题，伊朗研究人员通过沉淀法构建了CQD-g-C3N4/Co3O4三元Z型异质结。该材料凭借CQD的上转换特性与Co3O4的窄带隙优势，实现1399 μmol/g·h的产氢速率和180分钟内100%亚甲基蓝降解率，为环境修复与清洁能源开发提供新策略。

　　

随着工业化和城市化进程加速，化石燃料消耗与水体污染问题日益严峻。氢能作为清洁能源以及光催化降解有机污染物技术，成为解决能源与环境危机的关键途径。然而，传统半导体光催化剂如纯相g-C₃N₄存在可见光吸收不足、电子-空穴对快速复合等瓶颈，而单一Co₃O₄则面临比表面积低等问题。如何通过材料设计协同提升光催化性能，成为当前研究的重要挑战。

伊朗研究人员在《Materials Research Bulletin》发表的研究中，创新性地采用沉淀法构建了碳量子点(CQD)修饰的g-C₃N₄/Co₃O₄三元Z型异质结。通过热剥离法制备g-C₃N₄纳米片，共沉淀法合成Co₃O₄纳米颗粒，最后负载CQD形成三元复合体系。研究结合X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、紫外-可见漫反射光谱(DRS)、光电化学测试等技术，系统分析了材料的结构与性能关系。

材料合成与表征
XRD证实g-C₃N₄的(002)晶面与Co₃O₄的立方相共存，FESEM显示CQD均匀分布在g-C₃N₄层状结构上。DRS显示三元复合物可见光吸收边扩展至650 nm，归因于Co₃O₄的窄带隙(1.44 eV)与CQD的上转换效应。

光电性能
电化学阻抗谱(EIS)显示CQD的引入使电荷转移电阻从4216 Ω降至444 Ω。莫特-肖特基测试与自由基捕获实验共同证实Z型电子转移路径，有效抑制载流子复合，使光电流密度提升3倍。

光催化性能
在180分钟可见光照射下，三元复合材料对亚甲基蓝(MB)的降解率达100%，而苯酚和甲基橙(MO)分别为68%和35%，差异源于染料分子结构与活性物种作用的特异性。产氢实验显示1399 μmol/g·h的速率，较二元体系提升显著，归因于CQD加速电子转移与Z型机制的热力学优势。

该研究通过精准设计CQD-g-C₃N₄/Co₃O₄三元体系，首次阐明其在Z型机制下的协同作用：CQD不仅作为电子桥梁加速传输，其π-π共轭结构还增强g-C₃N₄的光捕获能力；Co₃O₄的磁性便于催化剂回收，实际应用价值突出。这项工作为多组分光催化剂设计提供了新思路，在环境修复与绿色能源领域具有重要应用前景。