Bi2O3/ZnIn2S4 Z型异质结增强可见光催化过氧化氢生成效率及载流子分离机制研究

为解决ZnIn2S4（ZIS）在可见光利用率和光生载流子分离效率不足的问题，研究人员通过水热法与静电自组装构建了Bi2O3/ZnIn2S4（BO/ZIS）Z型异质结。该复合材料通过双路径机制将H2O2产率提升至600 μmol·g?1·h?1（纯ZIS的16.7倍），为光催化绿色合成H2O2提供了新策略。

　　

研究背景与意义
过氧化氢（H₂O₂）作为环境友好型氧化剂，在工业与医疗领域需求巨大，但传统蒽醌法存在高能耗与污染问题。光催化技术利用太阳能直接合成H₂O₂被视为理想替代方案，其中ZnIn₂S₄（ZIS）因2.2-2.4 eV窄带隙和低成本备受关注，但其光生电子-空穴复合率高、可见光吸收不足严重制约效率。如何通过材料改性突破这些瓶颈，成为当前研究焦点。

研究设计与方法
中国科学院的研究团队提出将ZIS与Bi₂O₃（BO）复合构建Z型异质结。通过水热法结合静电自组装（利用ZIS正电性+8.67 mV与BO负电性-19.27 mV特性）制备BO/ZIS复合材料，采用TPR（程序升温还原）、EIS（电化学阻抗谱）和PL（光致发光）分析载流子分离效率，并通过可见光催化实验评估H₂O₂产率。

研究结果

1. α-Bi₂O₃/ZnIn₂S₄复合材料确认
   XRD与Zeta电位证实异质结成功构建，BO的O-2p/Bi-6s杂化显著提升价带位置，拓展可见光吸收范围至550 nm。

2. 光催化性能提升机制
   10-BO/ZIS的H₂O₂产率达600 μmol·g^?1·h^?1，较纯ZIS提升16.7倍。TPR显示BO引入促进电子转移，EIS表明界面电阻降低60%，PL证实载流子复合率下降。

3. 双路径反应机制
   除传统O₂双电子还原路径外，BO通过·O₂^?中间体开辟第二条生成路径，ESR检测到显著增强的·OH信号。

结论与展望
该研究通过Z型异质结设计实现ZIS光催化性能的突破，为绿色合成H₂O₂提供了新材料体系。未来可进一步优化BO负载比例并探索工业化应用路径。论文发表于《Separation and Purification Technology》，通讯作者为Yu Xie（谢宇）。