新型Z型异质结光催化剂实现高效产氢耦合苯甲醇选择性氧化的协同催化机制研究

针对传统光催化产氢过程中牺牲剂污染大、成本高的问题，吉林大学研究团队通过湿化学法构建了多孔Z型(Mn0.05Cd0.95)3(C3N3S3)2/Mn0.05Cd0.95S异质结，比表面积提升12倍达202.77 m2/g，实现1.42 mmol·g?1·h?1的产氢速率和90%苯甲醇转化率，为绿色能源转化与高值化学品合成提供新思路。

　　

随着全球能源危机与环境问题日益严峻，如何将太阳能转化为清洁燃料成为科学界的研究热点。传统光催化产氢技术面临两大痛点：一方面需要添加牺牲剂（如硫化钠、三乙醇胺）来消耗光生空穴，既增加成本又可能造成污染；另一方面，金属硫化物催化剂中的S^2?易被空穴氧化导致光腐蚀。更令人头疼的是，光生电子-空穴对的高复合率严重制约催化效率。为此，吉林大学的研究人员独辟蹊径，将产氢反应与苯甲醇（BA）选择性氧化耦合，不仅避免牺牲剂使用，还能同步生产高附加值化学品苯甲醛（BAD）。

研究团队创新性地采用三聚硫氰酸钠（C₃N₃S₃^3?）配体替代传统S^2?，通过温和的湿化学法结合水热分解技术，成功构建了具有多孔结构的Z型(Mn_0.05Cd_0.95)₃(C₃N₃S₃)₂/Mn_0.05Cd_0.95S（MCTMT/MCS）异质结光催化剂。相关成果发表在《Journal of Colloid and Interface Science》上，为解决能源转化与有机合成的协同难题提供了新范式。

关键技术包括：水热分解温度调控（160℃优化）、紫外光电子能谱（UPS）分析电荷转移路径、比表面积测试（BET法）、循环稳定性测试（25小时）。通过精确控制前驱体分解程度，实现比表面积从15.71 m²/g到202.77 m²/g的飞跃式提升。

【材料制备与表征】
水热分解过程中，前驱体MCTMT的Cd-S键选择性断裂生成MCS，形成独特的Z型异质结构。X射线衍射（XRD）证实双金属配位环境，扫描电镜（SEM）显示分解后材料呈现多孔八面体形貌，透射电镜（TEM）观察到清晰的界面接触。

【光催化性能】
最优样品MCTMT-160在可见光下展现卓越的双功能催化性能：产氢速率达1.42 mmol·g^?1·h^?1，是前驱体的17倍；BA转化率超90%，且25小时后产氢速率仍保持1.12 mmol·g^?1·h^?1。对照实验表明，双硫系统的协同效应显著优于单一组分。

【机理研究】
UPS能谱解析揭示Z型机制：光生电子从MCS的导带转移至MCTMT的价带，既保留强还原性电子（产氢）又维持强氧化性空穴（BA氧化）。电化学阻抗（EIS）证实异质结有效降低电荷转移阻力，瞬态光电流响应提高3.8倍。

该研究开创性地将双金属C₃N₃S₃^3?基聚合物与硫化物复合，通过界面工程构筑高效稳定的Z型体系。不仅为解决光腐蚀难题提供新思路，更开创了"一石二鸟"的催化策略——每消耗1分子BA可同步产生1分子H₂，实现原子经济性与能源效益的双赢。这种将可再生能源转化与精细化工生产相耦合的设计理念，为绿色化学合成提供了普适性研究范式。