可见光驱动Z型异质结CdS/聚酰亚胺的理性设计：增强吸附与光催化活性

为解决传统光催化剂可见光利用率低和CdS光腐蚀严重的问题，研究人员通过水热法构建了直接Z型CdS/PTCDI异质结。该材料展现出11.6倍于纯CdS的光降解效率，并通过Z型电子转移机制有效抑制CdS光腐蚀，为设计高效稳定的聚合物基异质结光催化剂提供了新思路。

　　

随着环境污染和能源危机加剧，光催化技术因其绿色可持续特性备受关注。然而，传统光催化剂如TiO₂仅能利用4%的紫外光，而可见光响应的CdS又面临严重的光腐蚀问题。聚合物半导体如石墨相氮化碳(g-C₃N₄)虽具有可见光响应，但电荷分离效率低。针对这些挑战，中国科学院的研究团队创新性地将具有π共轭结构的苝四甲酰二亚胺(PTCDI)与CdS结合，通过精确调控能带结构，构建了直接Z型异质结光催化剂。相关成果发表在《Nano Materials Science》上。

研究采用水热法原位结晶CdS纳米晶于PTCDI表面，结合X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料结构，通过紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)和莫特-肖特基测试分析能带结构，并利用电化学阻抗(EIS)和瞬态光电流验证电荷转移效率。光催化降解甲基橙(MO)实验和自由基捕获实验揭示了反应机制。

3.1 结构与形貌分析
XRD和FT-IR证实成功合成具有层状结构的PTCDI，其(200)晶面间距达11.8 ?。TEM显示PTCDI表面原位生长出10-15 nm的三角形纤锌矿CdS纳米晶，这种特殊形貌源于PTCDI中三嗪环与Cd²⁺的配位作用。XPS显示CdS/PTCDI中Cd 3d和S 2p结合能上移0.4-0.6 eV，证实电子从CdS转移至PTCDI。

3.2 光电子特性
UV-vis DRS显示复合材料吸收边红移，带隙从PTCDI的1.95 eV降至1.8 eV。莫特-肖特基测试测得CdS和PTCDI的导带位置分别为-0.82 V和-0.06 V，符合Z型机制要求。PL光谱中CdS/PTCDI荧光强度骤降，表明电荷分离效率提升。

3.3 光催化活性与稳定性
25%CdS/PTCDI对MO的降解率达86%，速率常数是纯CdS的11.6倍。三次循环后活性仅下降12%，XRD和XPS证实无Cd(OH)₂或S⁰生成，表明Z型机制有效抑制了光腐蚀。

3.5 光催化降解机制
自由基捕获实验证明超氧自由基(^•O₂^-)是主要活性物种，其通过CdS导带电子(-0.82 V)还原O₂产生。同时PTCDI的深价带空穴(1.89 V)直接氧化污染物，形成Z型电荷转移通路。

该研究通过分子层面设计，实现了CdS形貌调控与界面电子结构的精准优化。Z型异质结不仅解决了CdS光腐蚀难题，还保留了强氧化还原能力，为开发高效稳定的聚合物/无机杂化光催化剂提供了范式。生物相容性实验显示处理后的废水对小麦种子无毒，展现出实际应用潜力。这项工作深化了对Z型电荷转移机制的理解，为环境修复和太阳能转化材料的设计开辟了新途径。