催化学报

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增强光催化H2O2生产的S型异质结In2S3/HOF

张勇a, 朱文君a,*, 赵艳艳b, 张淑敏c   

  1. a湖北理工学院新材料与绿色化工学院, 高分子材料化学助剂湖北省工程研究中心, 湖北黄石 435003;
    b商洛学院生物医药与食品工程学院, 陕西商洛 726000;
    c长沙学院环境光催化应用技术湖南省重点实验室, 湖南长沙 410022
  • 收稿日期:2026-01-15 接受日期:2026-02-02
  • 通讯作者: *电子信箱: wjzhu2000@163.com (朱文君).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22378103, 22409128, 22508019); 湖南省教育厅科学研究项目(24B0787); 湖北省科技厅黄石发展创新联合基金重点项目(2025AFD004).

In2S3/HOF S-scheme heterojunction for enhanced photocatalytic H2O2 production

Yong Zhanga, Wenjun Zhua,*, Yanyan Zhaob, Shumin Zhangc   

  1. aSchool of Advanced Materials and Green Chemical Engineering, Hubei Provincial Engineering Research Center for Chemical Additives of Polymeric Materials, Hubei polytechnic University, Huangshi 435003, Hubei, China;
    bCollege of Biology Pharmacy and Food Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, Shaanxi, China;
    cHunan Key Laboratory of Applied Environmental Photocatalysis, Changsha University, Changsha 410022, Hunan, China
  • Received:2026-01-15 Accepted:2026-02-02
  • Contact: *E-mail: wjzhu2000@163.com (W. Zhu).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China (22378103, 22409128, 22508019), the Research Foundation Bureau of Hunan Province (24B0787), and Hubei Provincial Natural Science Foundation Innovation and Development Joint Fund Key Project of Huangshi (2025AFD004).

摘要: 作为一种多功能的绿色氧化剂, 过氧化氢广泛应用于有机合成、消毒、废水处理等众多领域. 工业上大规模制备过氧化氢采用的是能耗高和污染大的蒽醌氧化法, 不符合当前倡导的绿色化工生产理念. 半导体光催化过氧化氢生产是一种绿色和可持续的技术, 对其进行开发具有重要的环境、经济与能源战略意义. 氢键有机框架(HOF)是一种新兴的多孔有机晶体材料, 被认为是光催化产过氧化氢的理想候选催化剂之一. 然而, 由于氢键等分子间作用力较弱, 导致大多数HOF稳定性性欠佳, 且单组分HOF存在光生载流子快速复合等弊端, 严重限制了它在光催化产过氧化氢领域中的应用. 选用高稳定性的HOF材料与无机物复合, 构建S型异质结光催化剂, 可有效解决上述问题.
本文采用湿化学方法在高度稳定的HOF(PFC-1)纳米棒表面原位生长了In2S3纳米片, 得到了一种新型的无机/有机S型异质结In2S3/PFC-1(IP). 在可见光照射下, 以苯甲醇为牺牲剂, 最优复合材料IP-40实现了3.78 mmol g‒1 h‒1的光催化产过氧化氢速率, 分别是In2S3和PFC-1性能的2.9倍和3.7倍. S型异质结IP-40不仅具有较高的热稳定性,而且在光催化循环测试中表现出良好的化学稳定性. IP-40还具有增强的可见光吸收能力、丰富的活性位点和高效的电荷分离和转移效率,这使得其获得了显著提升的光催化性能. 此外, IP-40的优异氧气吸附能力、适中的的质子亲和力和疏水性协同优化了表面反应动力学, 这也有助于提高其光催化产过氧化氢的性能. 通过原位辐照X射线光电子能谱和飞秒瞬态吸收光谱阐明了S型异质结IP的电荷转移机理. 电子顺磁共振光谱和原位红外光谱光谱均检测到了IP-40在光催化过程中的超氧阴离子自由基的信号, 旋转圆盘电极实验测得其电子转移数约为2.11, 这证实了S型异质结IP-40在光催化产过氧化氢过程中经历了两步单电子氧气还原路径. IP-40在不同条件下光催化产过氧化氢的对比实验表明, 氧气在光催化产过氧化氢的过程中是不可或缺的, 光生电子和超氧阴离子自由基在光催化过程中起着至关重要的作用, 它们是参与过氧化氢生成的主要活性物种. 密度泛函理论计算揭示, 在光催化产过氧化氢的反应路径中, 氧气吸附和两步质子化过程在热力学上是有利的, 而过氧化氢在IP-40催化剂表面上的解吸是光催化反应中的决速步骤.
综上, 合理构建S型异质结是提高其光催化性能的行之有效策略. 本文详细研究了一种增强光催化过氧化氢生产的无机/有机S型异质结IP, 这项工作为设计高效稳定的HOF基光催化剂提供了一种重要的参考.

关键词: 氢键有机框架, 三硫化二铟, S型光催化剂, 氧气还原, 光催化产过氧化氢

Abstract: As an emerging crystalline porous material, hydrogen bonded organic frameworks (HOFs) have enormous potential in photocatalytic field. However, poor stability and rapid recombination of photogenerated charges hinder their practical application in photocatalytic H2O2 production. To address the above challenges, this work employs a wet chemical method to grow In2S3 nanosheets in situ on the surface of highly stable HOF nanorods (PFC-1), resulting in a novel inorganic/organic In2S3/PFC-1 (IP) S-scheme heterojunction. The optimal IP composite achieves a significantly improved photocatalytic H2O2 evolution rate of 3.78 mmol g‒1 h‒1, which is 2.9- and 3.7-fold than that of In2S3 and PFC-1, respectively. The elevated visible-light absorption, abundant active sites, and effective charge separation of IP S-scheme heterojunction result in the improvement in photocatalytic performance. Additionally, photocatalytic H2O2 production of IP goes through a two-electron O2 reduction reaction pathway. This work offers a novel strategy for the fabrication of efficient HOF-based S-scheme heterostructures and their application in photocatalytic field.

Key words: Hydrogen-bonded organic frameworks, In2S3, S-scheme photocatalyst, O2 reduction, Photocatalytic H2O2 production