多支化α-Fe2O3负载Cu-Co混合氧化物与Ag颗粒作为非均相类芬顿催化剂的研究及其在光催化制氢中的电子传输层机制探索

本研究针对g-C3N4纳米片(GCN-NS)光催化剂表面电子传输受限问题，创新性地通过原位还原法构建CoB/GCN-NS复合体系，发现金属钴中间层可作为电子传输层(ETL)显著提升电荷分离效率，使光催化产氢速率提升13.8倍，为设计高效非贵金属光催化剂提供了新思路。

　　

随着全球能源危机和环境污染问题日益严峻，开发清洁可再生的氢能源成为21世纪的重要课题。光催化分解水制氢技术因其直接利用太阳能、反应条件温和等特点备受关注。在众多光催化材料中，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)因其制备简单、成本低廉、环境友好等优势脱颖而出，特别是其纳米片结构(GCN-NS)具有更大的比表面积和更快的载流子迁移速率。然而，单一半导体材料难以同时满足光吸收、电荷分离和表面反应等多重要求，这使得构建复合光催化材料成为必然选择。

传统策略是在GCN-NS表面负载过渡金属化合物（如硼化物CoB）作为助催化剂，利用其与Pt相似的电子结构促进表面氢还原反应。但西南大学的研究团队发现，即使优化了体相载流子分离，电子在半导体/助催化剂界面的传输效率仍成为限制光催化性能的瓶颈。发表在《Surfaces and Interfaces》上的这项研究，通过创新性的原位还原方法，在CoB与GCN-NS界面构建了金属钴中间层，使光催化产氢速率实现突破性提升。

研究人员采用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、光电化学测试等表征手段，结合密度泛函理论(DFT)计算，系统研究了硼化时间对材料性能的影响。通过对比传统混合法和原位还原法制备的样品，发现界面工程是提升性能的关键。

研究结果揭示：

1. 成功合成GCN-NS/CoB复合材料：XRD证实通过热聚合和三聚氰胺剥离成功制备GCN-NS，原位还原法实现了CoB纳米颗粒的均匀负载，且保持GCN-NS的晶体结构完整性。
2. 金属钴中间层的ETL作用：延长硼化时间至192小时促使界面形成金属钴层，其费米能级介于GCN-NS导带底(CBM)与CoB之间，形成类似太阳能电池中的电子传输阶梯，使电荷分离效率提升2.1倍。
3. 光催化性能显著提升：优化后的复合材料产氢速率达纯GCN-NS的13.8倍，且稳定性良好。光电化学测试显示其界面电荷转移电阻显著降低，光电流密度提高近3倍。

这项研究的突破性发现在于首次将太阳能电池中的ETL概念引入光催化纳米材料设计。金属钴中间层通过降低GCN-NS/CoB界面的肖特基势垒，有效解决了光生电子"最后一纳米"的传输难题。DFT计算证实该中间层能带位置符合ETL设计要求，为开发新型复合光催化剂提供了普适性策略。研究不仅为过渡金属硼化物在光催化中的应用开辟了新途径，更启示通过在光捕获半导体与助催化剂之间构建功能性中间层来优化电荷传输路径，这一思路可拓展至其他光催化体系，对推动清洁能源技术的发展具有重要意义。