通过界面工程原位构建Ag3PO4/蛋壳衍生多孔碳复合材料以增强可见光光催化性能

《Diamond and Related Materials》：In-situ construction of Ag 3PO 4/eggshell-derived porous carbon composite via interfacial engineering for enhanced visible-light photocatalysis

　　

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  分级碳结构调控了Ag₃PO₄纳米粒子的原位分散。
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  强界面电子耦合实现了高效的电荷分离。
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  表面工程增强了可见光吸收和载流子迁移。
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  分级架构提升了光催化活性和循环稳定性。
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  生物质衍生碳为界面工程提供了可持续途径。

引言

可见光响应光催化剂因其在太阳能转换和环境催化领域的潜在应用而受到越来越多的关注 [1], [2]。研究人员已致力于开发具有改进光捕获能力、高效电荷分离和增强结构稳定性的光催化材料 [3]。在各种策略中，合理调控复合光催化剂的微观结构和界面性质已被证明是同时优化其光学、电子和催化性能的有效途径 [4], [5]。

磷酸银（Ag₃PO₄）因其窄带隙、高量子效率和优异的氧化能力而被认为是前景最为广阔的可见光光催化剂之一 [6], [7]。然而，其实际应用性能仍受到严重粒子团聚、光生电子-空穴对快速复合以及反复操作过程中光腐蚀等问题的制约 [8], [9]。这些固有缺陷显著降低了光生载流子的利用效率，并阻碍了其实际应用 [10]。构建具有适当界面电荷转移通路的异质结已成为促进电荷分离和提高光催化性能的有效策略 [11], [12], [13], [14], [15]。特别是，S型异质结因其在促进高效界面电荷分离的同时保留光生载流子的强氧化还原能力而受到越来越多的关注 [16], [17]。因此，构建具有改进界面接触和电荷转移能力的Ag₃PO₄基复合材料已成为提高光催化性能和稳定性的重要策略 [18], [19], [20]。

碳材料因其优异的导电性 [21]、丰富的表面官能团 [22] 和可调的孔隙结构 [23], [24] 而被广泛引入半导体光催化剂中。作为导电载体，碳材料可以有效调控半导体粒子的成核和分散，增强界面电子耦合，促进电荷迁移，并改善结构稳定性 [25]。近年来，各种生物质衍生多孔碳被探索作为Ag₃PO₄基光催化剂的载体，显示出改进的粒子分散性、增强的吸附富集和促进的界面电荷转移 [26], [27]。这些研究证实了使用可持续碳基质克服Ag₃PO₄固有缺陷的可行性。然而，传统的碳材料（如活性炭和石墨烯）通常需要相对较高的生产成本或复杂的制备工艺，限制了其在可持续光催化剂制备中的实际应用 [28]。

由于具有可再生性、低成本、分级孔隙结构和丰富的表面化学特性，生物质衍生多孔碳近来成为可持续替代材料 [29], [30]。在各种生物质资源中，废弃蛋壳是一种丰富的生物废弃物，可转化为具有互连孔隙通道和含氧官能团的多孔碳材料 [31], [32]。这些特性使蛋壳衍生多孔碳成为锚定Ag₃PO₄纳米粒子、富集有机污染物和建立紧密半导体-碳界面的合适基质。蛋壳衍生材料此前已据报道用于多种催化应用 [33], [34]。然而，直接利用蛋壳衍生多孔碳作为Ag₃PO₄的结构和界面载体却相对较少受到关注。特别是，多孔碳框架、Ag₃PO₄分散、界面电子相互作用、吸附行为与光催化性能之间的关系尚未得到系统性建立。此类结构特性为半导体纳米粒子提供了有利的锚定位点，改善了界面接触，并促进了跨异质界面的电荷转移 [35]。因此，蛋壳衍生多孔碳有望作为高效的支撑基质，用于构建具有增强理化性质的Ag₃PO₄基复合光催化剂。

在本工作中，通过简便的原位沉积策略成功制备了Ag₃PO₄/蛋壳衍生多孔碳（APC）复合材料。本研究并非简单地将蛋壳衍生碳作为惰性载体引入，而是利用其分级孔隙结构和表面化学特性调控Ag₃PO₄的分散并构建紧密的碳/半导体界面。对微观结构、界面相互作用、光学响应和电荷转移行为进行了全面考察。以可见光降解甲基橙（MO）作为代表性模型反应来评价所得复合材料的光催化性能。本工作建立了蛋壳衍生多孔碳框架与Ag₃PO₄之间的结构-性质-性能关系，为设计生物质衍生碳负载的可见光光催化剂提供了一种可持续的方法。

章节摘录

材料

蛋壳购自后厨。本研究使用的化学品，包括硝酸银（AgNO₃）、磷酸氢二钠十二水合物（Na₂HPO₄·12H₂O）、甲基橙（C₁₄H₁₄N₃SO₃Na），均购自国药集团化学试剂有限公司。

蛋壳衍生生物质多孔碳（ESBPC）的制备

从厨房废弃物中收集的废弃蛋壳首先用去离子水彻底清洗以去除粘附的食物残渣和可溶性杂质，随后用乙醇清洗以去除残余油脂和有机

结构、形貌与成分表征

利用扫描电子显微镜（SEM）图像研究了所制备样品的形貌。ESBPC呈现出松散堆叠的纳米片形貌，具有丰富的层间孔隙，形成了多孔三维框架（图2a、b）。相比之下，原始Ag₃PO₄由团聚的准球形纳米粒子组成（图2c、d）。复合后，Ag₃PO₄纳米粒子均匀固定于ESBPC纳米片上，形成了良好的分级结构并实现紧密的界面

结论

本研究中，通过原位沉积策略成功开发了一种具有分级孔隙结构的Ag₃PO₄/蛋壳衍生多孔碳复合材料。多孔碳载体不仅改善了Ag₃PO₄纳米粒子的分散，还增强了两种组分之间的界面耦合。分级孔隙与高效界面电荷转移的结合赋予复合材料增强的可见光光催化活性和改进的

CRediT作者贡献声明

魏梦程： 撰写原稿、验证、方法论、形式分析、数据整理、概念构思。曾丹林： 审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。黄钢： 软件、调查研究。高芳： 审阅与编辑、软件。程思荣： 调查研究。杨雅玲： 调查研究。庄子凯： 软件。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。

致谢

作者感谢中国国家自然科学基金（批准号：21473126）和湖北省煤炭转化与新碳材料重点实验室基金项目（WKDM202306）。

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