催化学报 ›› 2025, Vol. 78: 1-3.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64810-8
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王珊(
), 程蓓, 戚克振*()
Shan Wang(), Bei Cheng, Kezhen Qi()
摘要：
S型异质结因其能够在保持强氧化还原能力的同时促进光生电荷有效分离, 近年来成为光催化领域的研究热点. 构建S型异质结可显著提升太阳能驱动的催化反应效率, 在水分解制氢、有机污染物降解以及二氧化碳还原等多个领域展现出广阔应用前景. 然而, 目前对S型异质结中载流子在空间尺度上的动态行为缺乏直接实验证据, 限制了对其结构-性能关系的深入理解.
余家国教授课题组采用原位开尔文探针力显微镜(KPFM)对CdS/BiOBr S型异质结中光生电荷的空间分布行为进行了深入分析, 首次实现了对该异质结构中电荷转移路径的可视化表征. CdS与BiOBr均为n型半导体, 分别具备良好的还原能力与氧化能力, 二者通过原位生长方法构建成紧密接触的异质结结构. 结合X射线光电子能谱和飞秒瞬态吸收光谱等多种表征手段确认了CdS/BiOBr异质结符合S型电荷转移模式, 即光生电子由BiOBr的导带迁移至CdS的导带, 而光生空穴则从CdS的价带转移至BiOBr的价带, 实现高效的空间电荷分离. KPFM实验证实, 在光照条件下, CdS与BiOBr的费米能级(Ef)均出现上移, 表明体系内部发生了光激发后的能带重构. 同时, 异质结内部形成了稳定的界面内建电场(IEF), 该电场方向自CdS指向BiOBr, 有效促进了电子和空穴的定向迁移. 更为重要的是, 通过表面光电压(SPV)成像技术, 他们发现CdS(作为还原型半导体, RS)表面显著富集光生电子, 导致其SPV值较单一CdS材料有所降低; 而BiOBr(作为氧化型半导体, OS)表面则富集光生空穴, 其SPV值较单一BiOBr材料显著升高. 这种SPV变化趋势与经典S型电荷转移模型高度一致, 充分证明了该结构具备理想的载流子分离特性. 为了进一步量化电荷分离效率, 研究者建立了基于KPFM探针-空气-样品的简化电容模型, 并据此计算出该异质结在光照条件下较单组分CdS和BiOBr额外产生了11个光生电子和3722个光生空穴, 表明其在调控电子结构和提高电荷利用率方面具有显著优势. 此外, 研究还引入表面态修正传统能带结构, 提出了“表面内建电场(IEF-S)”的概念, 即表面态诱导形成的局域电场, 可进一步增强光生电荷的定向迁移. 在该双重电场(界面IEF + 表面IEF-S)协同作用下, 电子获得额外动能越过表面势垒迁移至CdS表面, 同时空穴高效迁移至BiOBr表面, 大幅提高了载流子分离效率与寿命.
综上, 他们的研究不仅为CdS/BiOBr S型异质结中光生电荷行为提供了直观、空间分辨的实验证据, 也构建了一个更为完善的能带与电荷动力学模型. 通过KPFM技术所揭示的电荷空间分布特征, 为理解其他复杂异质结体系中的光催化行为提供了新思路与表征手段. 同时, 提出的“界面IEF与表面IEF-S协同促进电荷迁移”机制为未来设计高效S型异质结光催化剂提供了理论基础和通用指导原则. 该研究在基础科学层面加深了对S型异质结光生载流子行为的理解, 也为开发新型高效光催化材料奠定了重要的技术与理论基础.
