催化学报 ›› 2025, Vol. 78: 4-6.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64809-1
符飞燕a,*(
), 李云锋b,*()
Feiyan Fua,*(), Yunfeng Lib,*()
摘要：
光催化利用太阳能直接驱动化学转化, 为绿色合成与资源高效利用提供了可持续技术方案. 在半导体光催化材料设计中, 通过构建具有定向电荷传输特性的界面结构, S型异质结因其协同增强载流子分离效率与氧化还原势的特性, 成为提升光化学反应动力学的有效策略. 然而, 目前对异质结中跨界面载流子迁移的原子级别作用机制, 尤其是界面化学键在优化光催化效率中的关键角色仍缺乏深入理解.
针对这一科学挑战, 余家国教授团队以富含亚胺键、结构可调的共价有机框架(COF)为模板, 直接在空心氧化锌纳米盒表面原位包覆构造有机-无机S型异质结. 界面Zn-N化学键通过耦合氧化锌导带与共价有机框架最高占据轨道, 建立直接的S型电荷传输通道, 显著增强内建电场与能带匹配, 促进选择性复合低氧化还原电位光生载流子, 保留具有更强氧化还原能力的载流子, 并通过增强的光电化学性能、更显著的电子顺磁共振自由基信号强度以及高效的光催化活性得以证实. 原位光照X射线光电子能谱、X射线吸收以及密度泛函理论计算证明了Zn-N化学键的存在及其桥接效应. 飞秒瞬态吸收光谱测试表明界面复合寿命缩短和跨界面电子寿命的存在, 异质结在基态漂白信号中表现出比氧化锌更短的带间本征复合寿命, 而在激发态吸收信号中的平均寿命显著长于COF, 这为界面电荷转移提供了进一步验证. 受此协同作用驱动, 氧化锌/共价有机框架在紫外光照下的双氧水生成速率达10.56 mmol g-1 h-1, 并实现近定量的异丙醇选择性氧化.
综上, 该原子级别认识为设计高效、可规模化的有机/无机耦合光催化体系开辟了全新的设计思路, 也为二氧化碳还原、固氮等多电子光反应的界面调控提供了坚实的理论支撑.
