基于CdS/CoFe2O4 p-n异质结的光热蒸发界面增强光催化产氢研究

针对传统固-液-气三相光催化体系存在光吸收不足、传质效率低等问题，研究人员通过构建CdS/CoFe2O4 p-n异质结（CCF）和退火三聚氰胺海绵（AMS）光热基底，开发了气-固双相光催化系统。该系统实现了254.1 μmol h?1的产氢速率，较传统体系提升2.3倍，为全光谱太阳能转化提供了新思路。

　　

随着全球能源危机与环境问题日益严峻，将太阳能转化为可存储的氢能成为研究热点。传统光催化水分解技术面临三重困境：半导体材料对可见光利用率低、固-液-气三相界面传质阻力大、以及占太阳光50%以上的近红外波段能量被浪费。这些问题导致太阳能-氢能（STH）转换效率长期难以突破。更棘手的是，常用CdS催化剂存在严重的光腐蚀和载流子快速复合缺陷，而传统粉末悬浮体系产生的气泡会遮蔽活性位点，形成恶性循环。

针对这些挑战，国内某研究机构的研究团队在《Green Chemical Engineering》发表了一项创新研究。他们巧妙地将材料设计与系统优化相结合：一方面通过煅烧法制备CdS/CoFe₂O₄（CCF）p-n异质结纳米复合材料，利用内建电场促进载流子分离；另一方面创新性地采用碳化三聚氰胺海绵（AMS）作为光热基底，将传统三相反应转变为气-固双相体系。这种"材料-系统"双管齐下的策略，不仅解决了光吸收和传质瓶颈，还实现了全光谱太阳能的梯级利用。

研究团队主要采用四大关键技术：溶剂热法合成CdS纳米棒与CoFe₂O₄纳米颗粒、煅烧构建p-n异质结、高温退火制备AMS光热基底，以及PVDF辅助的催化剂固定化技术。通过SEM/TEM、XRD、XPS等表征手段确认材料结构，并系统测试了光电化学性能和光催化活性。

【研究结果】
3.1 光催化剂的形貌结构与组分分析
CdS呈现1-2 μm的纳米棒结构，CoFe₂O₄为10 nm超小颗粒，CCF-1.5复合材料中两者均匀分散。HRTEM显示0.253 nm和0.329 nm晶格条纹分别对应CoFe₂O₄的（311）晶面和CdS的（104）晶面。XPS证实异质结界面存在强电子相互作用，UV-Vis显示CCF-1.5可见光吸收显著增强。

3.2 光电化学与光催化性能
CCF-1.5的光电流密度是纯CdS的3.9倍，EIS谱显示电荷转移电阻显著降低。在传统三相体系中，CCF-1.5产氢速率达76.5 μmol h^?1。能带结构分析表明，p-n结内建电场驱动电子从CoFe₂O₄的导带（CB）向CdS迁移，空穴反向传输，有效抑制复合。

3.3 光热气-固双相系统构建
400°C退火获得的AMS具有三维多孔框架，水接触角测试显示其超亲水性。Raman光谱证实碳化成功，吸收光谱显示AMS在300-1500 nm波段近乎全吸收。光热蒸发实验表明AMS的蒸发速率达1.10 kg m^?2 h^?1，太阳能-蒸汽转换效率78.69%。

3.4 产氢性能与机制研究
优化后的CCF-1.5/AMS系统产氢速率达254.1 μmol h^?1，红外热像显示系统温度稳定在60°C。对比实验证实，气相环境使氢气泡无需克服液相阻力即可快速脱附，而升温实验证明单纯提高温度（95°C）的三相体系性能仍低于双相系统。

这项研究通过"异质结设计+反应系统重构"的创新思路，突破了传统光催化体系的固有局限。CCF p-n异质结解决了载流子分离难题，AMS光热基底则实现了全光谱利用与界面传质优化，二者的协同作用使太阳能转化效率获得阶跃式提升。该工作不仅为高效光热-光催化系统设计提供了范式，更推动了气-固双相催化理论的发展，对清洁能源技术的实际应用具有重要指导意义。