回收红泥以构建铁铝氧化物杂化体系，从而从水分解中高效生产绿色氢能

《Renewable Energy》：Recovering red mud to construct iron-aluminum oxides hybridized system for superior green hydrogen energy from water splitting

一种基于红泥铁铝氧化物与石墨相氮化碳异质结的光解水制氢新策略，通过酸处理提取红泥中的Fe和Al元素，经低温煅烧制备FeAlO_x纳米颗粒，与 melamine 合成的石墨相氮化碳（GCN）通过原位煅烧形成紧密异质结结构。实验表明该异质结在模拟日光下产氢量达5291 μmol·g?1，较纯GCN提升8.33倍，主要归因于异质结界面促进光生载流子分离、表面缺陷提供更多活性位点及微孔结构增强光捕获效率。研究为工业固废资源化及绿色氢能制备提供新途径。

　　这项研究成功地合成了一种新型的铁-铝氧化物/石墨碳氮化物（FeAlO?/GCN）异质结，旨在提高太阳能转化为氢能的效率，从而生产绿色氢能。研究人员首先利用浓酸处理红泥（red mud），这是一种铝工业中用于提取氧化铝的副产物，同时也是一种高碱性的有害废料。通过这一处理过程，可以有效地分离出铁和铝元素，并进一步用于制备非晶态的FeAlO?。随后，通过原位煅烧的方法，将FeAlO?与GCN紧密结合，形成FeAlO?/GCN复合材料。这种异质结结构不仅能够增强光吸收能力，还能加快光生电子和空穴的分离与传输，从而显著提升光催化产氢的效率。

研究发现，FeAlO?/GCN复合材料的表面产生了缺陷，这些缺陷提供了更多的活性位点，有助于提高氢气的生成效率。其中，优化后的FeAlO?/GCN-1样品表现出了最佳的光催化性能，其产氢效率达到了5291 μmol·g?1，是纯GCN（635 μmol·g?1）的8.33倍。这一成果不仅展示了FeAlO?/GCN异质结在光催化产氢方面的巨大潜力，也为工业固体废弃物的高效回收利用提供了新的思路。通过可持续的太阳能技术，将红泥中的有价值成分转化为高性能的光催化剂，从而实现绿色氢能的大规模生产。

氢气作为一种清洁的可再生能源，其重要性日益凸显。随着化石能源的消耗，氢气被广泛认为是维持可持续发展和减少二氧化碳排放的关键手段之一。自Fujishima等人发现光催化水分解制氢的方法以来，大量研究致力于开发高效的光/电催化水分解系统。通常情况下，光激发的电子会引导参与氢气生成反应（HER），而氢气生成的效率主要取决于三个固有因素：光吸收能力、光生载流子的分离效率以及氢气生成反应速率。因此，开发一种具有高效光吸收、低电荷复合率和快速氢气生成反应的光催化系统，是当前研究的重点。

石墨碳氮化物（g-C?N?，GCN）作为一种无金属的聚合物半导体，因其合适的带隙（约2.7 eV）、简便的制备工艺、较大的比表面积和良好的化学稳定性而受到广泛关注。GCN可以通过廉价的原料，如三聚氰胺和尿素的聚缩合反应来制备。更重要的是，GCN的导带电位远低于标准氢电极，这使得它在水分解过程中能够有效地引发氢气生成反应。然而，纯GCN在光催化产氢方面的产率仍然不尽如人意，主要受限于其较低的电荷迁移率和快速的光生载流子复合现象。为了解决这一问题，研究者们提出了多种策略，包括金属掺杂、非金属掺杂、贵金属沉积以及构建各种异质结结构。

例如，Kang等人通过低温溶剂热法构建了直接Z型的g-C?N?@Fe?O?异质结，这种结构在可见光照射下表现出显著增强的光催化活性。此外，许多研究还表明，过渡金属离子的掺杂可以与氮含基团形成协调键，并均匀分布在g-C?N?表面，从而为氢气生成提供更多的活性位点。Zhou等人合成了一种新型的非晶态FeCoPO?/g-C?N?光催化剂，其在光催化产氢过程中表现出显著的提升，这是因为Fe物种在非晶态FeCoPO?中的配位数较低，从而形成了强界面，提高了光催化性能。

红泥作为一种工业固体废弃物，含有丰富的铁和铝元素，是铝工业提取氧化铝过程中产生的副产物。由于其复杂的成分和高碱性，红泥的回收利用效率一直较低。然而，近年来，红泥被广泛用于废水处理、烟气净化、裂解反应、碳捕集与封存，甚至在光催化领域也有所应用。此外，由于红泥中含有大量铁和铝元素，它被重新利用为铁和铝的来源，与其他材料结合构建FeAl基异质结，以提升光催化性能。例如，Wei的研究团队开发了一种新型的Ag?PO?修饰红泥的阶梯型（S-Scheme）异质结光催化剂，该催化剂在光-Fenton反应中表现出显著的降解四环素盐酸盐（TC-HCl）的活性。Shi等人则通过一步煅烧法制备了一种红泥修饰的C?N?光催化剂，该催化剂在可见光照射下对四环素的去除效率提高了11倍。

尽管红泥在多种应用中显示出潜力，但目前仍很少将其与石墨碳氮化物结合，构建用于高效产氢的阶梯型异质结光催化剂。因此，本研究基于上述策略，首次提出了一种通过热混合三聚氰胺与从红泥中提取的FeAlO?，构建新型的阶梯型FeAlO?/GCN异质结的方法。这种异质结结构不仅能够增强光催化产氢的性能，还能够通过多种散射效应增加光吸收能力，同时有效抑制光生载流子的复合，从而提高氢气生成的效率。此外，该复合材料内部的大孔结构也为氢气的生成提供了更多的活性位点。

通过这一创新方法，研究人员不仅成功地从红泥中提取了高价值的FeAlO?成分，还将其与GCN结合，构建出一种高效的光催化剂。这种方法为工业固体废弃物的回收利用提供了新的思路，同时也为实现碳中和和可持续发展目标做出了贡献。随着全球对清洁能源需求的不断增长，这种基于工业废弃物的高效光催化剂有望在未来得到广泛应用，为绿色氢能的生产提供新的解决方案。此外，这项研究也为其他类型的工业固体废弃物的再利用提供了借鉴，展示了如何通过材料科学的创新手段，将废弃物转化为有价值的资源，从而推动环保和可持续发展。