rGO支撑与FeCl3/KI氧化还原介导协同提升BiFeO3-BaTiO3纳米复合材料光催化产氢性能研究

针对传统Z型光催化剂电荷复合率高、可见光吸收不足等问题，Shahram Sharifnia团队通过构建全固态Z型70BiFeO3-rGO-30BaTiO3纳米复合材料，结合Fe3+/Fe2+和I3-/I-氧化还原介导策略，将产氢速率提升至550.14 μmol g-1 h-1，为清洁能源开发提供新思路。

　　

随着全球能源危机与环境问题日益严峻，氢能作为清洁可再生能源备受关注。然而，传统光催化剂存在可见光利用率低、电荷复合快等瓶颈问题。钙钛矿材料虽具有优异的光电特性，但单一组分难以兼顾宽光谱吸收与高效电荷分离。特别是BaTiO₃(BTO)因3.2 eV宽带隙仅响应紫外光，而BiFeO₃(BFO)虽具2.2 eV窄带隙却面临电荷快速复合的挑战。

为解决这一难题，研究人员通过构建直接Z型BFO-BTO异质结在前期工作中实现328.0 μmol g^-1 h^-1的产氢速率。但该体系仍存在界面接触面积有限、光吸收不足等缺陷。为此，团队创新性地引入还原氧化石墨烯(rGO)作为固态电子介体，开发出全固态Z型70BFO-rGO-30BTO纳米复合材料，并系统探究FeCl₃和KI氧化还原介导剂的作用机制。

研究采用超声辅助湿法浸渍技术制备材料，通过XRD、FESEM、TEM等表征手段确认rGO成功桥接BFO与BTO形成三维网络结构。紫外可见漫反射光谱显示复合材料带隙降至2.48 eV，PL光谱证实rGO有效抑制电子-空穴复合。光电化学测试表明，3 wt% rGO负载样品具有最低电荷转移电阻和最高瞬态光电流响应。

在光催化性能方面，最优化的BFO-rGO-BTO体系产氢速率达550.14 μmol g^-1 h^-1，较直接Z型体系提升1.7倍。引入2 mM FeCl₃和KI溶液后，传统Z型系统产氢速率分别增至476.82和670.98 μmol g^-1 h^-1，证实I₃^-/I^-氧化还原对更有利于电荷转移。

这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，通过对比直接Z型、全固态Z型和传统Z型三种系统的性能差异，揭示了rGO作为电子高速公路与氧化还原介导剂的协同作用机制。其重要意义在于：1）开发出可规模化制备的高效钙钛矿基光催化剂；2）为多组分Z型系统设计提供普适性策略；3）推动太阳能-氢能转化技术的实际应用。该工作不仅深化了对电荷转移路径的理解，更为开发新型能源材料开辟了道路。

主要技术方法：

1. 超声辅助湿法浸渍合成纳米复合材料
2. XRD、FTIR、Raman等晶体结构分析
3. FESEM-EDS、TEM-AFM形貌表征
4. BET比表面积测试
5. UV-vis DRS光学性能测试
6. PL光谱、EIS、Mott-Schottky等光电化学分析

研究结果：
【结构表征】XRD证实BFO（菱形相）与BTO（四方相）成功复合，rGO的引入未改变晶体结构但增强衍射峰强度。TEM显示rGO片层均匀负载纳米颗粒，形成紧密异质界面。

【光学性能】UV-vis DRS表明复合材料吸收边红移至500 nm，带隙计算显示3 wt% rGO样品具有最优可见光响应（2.48 eV）。PL强度降低70%证实rGO有效促进电荷分离。

【光电化学】EIS奈奎斯特图显示3 wt% rGO样品电荷转移电阻最小（R_ct=18 Ω），瞬态光电流密度提升3.2倍，Mott-Schottky测试证实载流子浓度提高2个数量级。

【光催化产氢】3 wt% rGO样品在模拟太阳光下产氢速率达550.14 μmol g^-1 h^-1，循环5次后活性保持91%。氧化还原介导实验表明I₃^-/I^-体系性能优于Fe³⁺/Fe²⁺，归因于更快的电子转移动力学。

结论与讨论：
该研究通过精准调控rGO含量与氧化还原介导剂类型，实现三大突破：1）建立"电子桥梁-介导剂"双通道电荷转移模型；2）阐明I₃^-/I^-氧化还原对在传统Z型系统中的优势作用；3）提出全固态Z型光催化剂设计新范式。相比贵金属助催化剂，rGO的廉价特性使该技术更具产业化前景。未来研究可进一步优化rGO导电网络拓扑结构，探索其他高效氧化还原对，推动太阳能制氢技术向实际应用迈进。