碳空位协同S型F-g-C3N4//FeIn2S4异质结促进光催化制氢与有机染料降解

《Environmental Research》：Synergistic carbon vacancies and S-Scheme F-g-C 3N 4//FeIn 2S 4 heterojunctions for enhanced photocatalytic H 2 evolution and organic dye degradation

　　

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  通过原位生长制备分层F-CN/FIS S型异质结构。
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  本研究为太阳能转化和污染物去除提供了有效策略。
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  DFT计算证明了界面电荷转移和再分布。
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  优化后的F-CN/FIS实现了5881 μmol g^-1 h^-1的H₂产生速率。
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  光催化剂在可见光下50分钟内实现了99.9%的RhB降解。

引言

化石燃料的过度开采正加剧全球能源危机，并加速生态污染问题。在此背景下，太阳能驱动的制氢（H₂）技术与有机污染物降解和CO₂利用等环境修复技术的结合，为以可持续方式同时应对能源危机和环境挑战提供了一条潜在途径（Guo et al., 2025）。光催化分解水是一种可以同时解决能源和污染问题的可行方法（Mi et al., 2025）。可见光驱动的光催化提供了一种清洁、绿色且成本效益高的方法，将光子能量转化为活性物种（光生空穴（h⁺）、电子（e^-）、羟基自由基（•OH）和超氧自由基（•O₂^-），这些活性物种可用于高效催化H₂的分解、CO₂的转化以及有机污染物的修复（Shangguan et al., 2025）。先进光催化剂的设计是一个重要的研究焦点，因为它们是太阳能制燃料、太阳能水处理以及将CO₂转化为能源载体所必需的（Wang et al., 2025; Zhu et al., 2024）。

近年来，二维g-C₃N₄因其合适的导带和价带能带位置，满足污染物净化和水制氢的热力学条件，在光催化领域引起了广泛关注（Li et al., 2026; Song et al., 2024）。然而，g-C₃N₄中高载流子复合消耗率严重限制了其光催化活性。虽然已尝试多种策略来解决这一问题，如缺陷工程（Hou et al., 2022）、共元素掺杂（Chen et al., 2025; Tian et al., 2024）、构建异质结（Liu et al., 2025）、控制形貌（Duan et al.）、构建同质结（Zhu et al., 2025）以及非金属和金属掺杂（Liu et al., 2020），但光生载流子的高效分离仍是一个重要挑战。金属掺杂光催化剂通常缺乏稳定性，因为金属物种的氧化态会随温度变化，因此非金属掺杂是更好的选择（Zhurenok et al., 2024）。非金属掺杂剂可以创造中间能级，从而调整带隙并增强可见光吸收，其中卤素因其高电负性和电离能而成为最有前景的掺杂元素（Rehman et al., 2025）。

层状混合金属硫化物（XIn₂S₄，X = Fe、Cu、Zn或Co）因其可调的电子、光学和结构性能而在光催化领域获得了大量研究关注（Meng et al., 2025b）。其中，硫化铟铁（FeIn₂S₄）作为CD₂X₄家族中的一种双金属硫族化合物，由于其层状结构、良好的电学和光学性能、低毒性和良好的化学稳定性，被认为具有最大的光催化应用潜力。尽管如此，单相FeIn₂S₄纳米片聚集体的催化活性和稳定性通常有限（Wei et al., 2023）。为克服这些局限性，人们广泛探索了各种改性策略，如形貌调控（Kim et al., 2020）、异质结工程（Han et al., 2025）和缺陷调控（Wu et al., 2025a）。通过将两种具有不同电子能带结构的半导体耦合，构建S型异质结是提高光催化性能的有效策略。一系列基于硫化物的半导体，包括CoIn₂S₄（Ren et al., 2025）、ZnIn₂S₄（Asghar et al., 2026）、CuInS₂（Shi et al., 2025）和MoS₂（Chen et al., 2021），因其对可见光辐射的良好响应以及在界面上影响光生载流子迁移和分离的能力而引起了广泛关注。对于原始硫化铟铁（FeIn₂S₄，FIS），通过合理的S型异质结构工程，其固有的光催化性能可以得到显著提升（Jing et al., 2024）。

据我们所知，尚未有报道关于氟化铵（NH₄F）修饰的g-C₃N₄/FeIn₂S₄（F-CN/FIS）复合材料用于光催化制氢、CO生成和染料降解的研究。在此，我们构建了一种成本效益高的溶剂热策略来制备F-CN/FIS型S型异质结，逐步合成过程如图1a所示。氟由于其独特的光学和电子性能，通过增加光吸收和创造额外的活性位点，增强了g-C₃N₄的光催化效率。在该复合材料中，F-CN作为捕获FIS中可见光激发电子的合适平台，而FIS通过与F-CN的强配位增强了整体光催化效率。这种相互作用通过强电子耦合促进了面内电子迁移和层间电荷转移。此外，在F-CN/FIS界面处形成了内电场（IEF），通过提高电子-空穴分离效率、延长载流子寿命、降低电阻和增加电子迁移距离，协同增强了性能。采用密度泛函理论（DFT）模拟研究了几何结构、电子性质、能带排列、功函数和电荷转移行为，从而验证了实验结果。总体而言，本研究引入了一种适用于广泛且高效光催化应用的新型高性能光催化剂。

各节摘要

材料

所有试剂均为工业级产品，直接使用，未进行额外纯化。具体而言，六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O）、氯化铟（InCl₃）、硫代乙酰胺（TAA）、三聚氰胺（C₃H₆N₆）、氟化铵（NH₄F）、甲基蓝（MB）（C₃₇H₂₇N₃Na₂O₉S₃）、罗丹明B（RhB）（C₂₈H₃₁CIN₂O₃）、乙醇、四环素（TC）（C₂₂H₂₄N₂O₈）、硫酸钠（Na₂SO₄）、硝酸（HNO₃）、三乙醇胺（TEOA）和水均购自国药集团化学试剂有限公司。未进行补充纯化。

形貌与结构分析

图1中的扫描电子显微镜（SEM）图像展示了合成材料的表面形貌和微观结构。原始石墨氮化碳（g-C₃N₄）呈现出典型的纳米片结构，由大块片层组成，如图1b所示。经NH₄F处理后，碳氮化物（CN）骨架被剥离，形成薄而破碎的片层，如图1c所示。这种结构变化显著增加了表面积。氟化样品称为F-CN。在

结论

在此，通过原位热聚缩合成功制备了一种新型F-CN/FIS-X% S型异质结构。结构表征表明，球状FeIn₂S₄纳米片与超薄F掺杂g-C₃N₄良好结合，构建了紧密的2D/2D异质结。该异质结提供了较大的比表面积（153.9 m² g^-1），促进了传质和界面电荷转移，并抑制了载流子复合。最优的F-CN/FIS-20%样品具有合适的带隙（2.44

CRediT作者贡献声明

侯建华：写作 – 审阅与编辑、监督、方法论、调查研究。Alauddin Alauddin：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、方法论、形式分析、概念化。Muhammad Sohail：形式分析。Zeeshan Asghar：调查研究、形式分析。Zheng Kewang：可视化、调查研究。Sajjad Ali：调查研究、数据管理。Jawad Ahmad Jrar：数据管理。Asif Hussain：可视化、形式分析。Pir Muhammad Ismail：调查研究。Muhammad

未引用参考文献

Duan et al.,.

数据可用性

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声明

作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

作者感谢苏丹王子大学提供的DFT支持。

Alauddin|Zeeshan Asghar|Muhammad Sohail|Sajjad Ali|Kewang Zheng|Asif Hussain|Jawad Ahmad Jrar|Muhammad Bilal|Pir Muhammad Ismail|Jianhua Hou