直接Z型光催化劑可以有效促進光生電子-空穴對的分離并提升氧化還原電位，已經(jīng)在各種光催化應用中取得了巨大的發(fā)展。然而，由于在原子水平上對光生電子-空穴對在兩個組分間遷移路徑的認識和理解嚴重不足（界面原子結(jié)構(gòu)和相應的電子態(tài)），直接Z型光催化劑的發(fā)展還處于初級階段，大多數(shù)Z型光催化系統(tǒng)都是以一種試驗探索的方式開發(fā)出來的。南開大學環(huán)境科學與工程學院的課題組對其進行深入探究，理性設(shè)計出新型Z型光催化劑并解析界面電荷遷移路徑。相關(guān)的研究發(fā)表在2019年8月12日的《Angewandte Chemie International Edition》上。 

　　該研究組報道了Z型CdS/CoS₂光催化劑中界面結(jié)合形式的光譜和理論證據(jù)，證實了界面間Co-S5.8過渡層的形成。界面上Co-S5.8過渡層的形成可以引入界面態(tài)，從而作為電荷遷移途徑，將電子從CdS轉(zhuǎn)移到CoS₂。因此，更多的光生電子和空穴可以參與表面光催化反應。根據(jù)瞬態(tài)吸收分析，催化劑中電荷分離產(chǎn)率高達91.5%，電荷子壽命為5.2±0.5 ns。在光照射下，CdS/CoS₂的光催化析氫和污染降解效率均高于CdS和CoS₂。該研究為制備高效Z型光催化劑和了解異質(zhì)結(jié)光催化劑中電荷遷移途徑提供了新的思路。  

　　課題組利用北京同步輻射裝置（BSRF）1W1B-XAFS實驗站的X射線吸收譜測量得到了定量的結(jié)構(gòu)參數(shù)。首先研究了Cd的電子結(jié)構(gòu)和局域原子排列，進一步探究了CdCoS（CdS/CoS₂）的界面微觀結(jié)構(gòu)。合成的CdS納米線和CdCoS的光譜相似，邊緣位置和整體光譜特征與塊狀CdS幾乎相同。這一結(jié)果表明CdCoS異質(zhì)結(jié)中的CdS具有與CdS納米線非常相似的局域原子結(jié)構(gòu)，CoS₂納米片對CdS組分的化學結(jié)合性質(zhì)影響不大。CoS₂納米片和CdCoS的Co-K邊緣位置與參考的CoS₂一致，表明樣品中Co原子周圍的局部結(jié)構(gòu)與本體CoS₂中的Co-S八面體結(jié)構(gòu)相似。CoS₂納米片和CdCoS的Co-K邊緣k2χ(K)振蕩曲線與塊體CoS₂相比有明顯差異，相應的傅里葉變換(FT)k2χ(K)函數(shù)也進一步驗證CoS₂納米片和CdCoS的Co-S峰向低R方向移動，且強度明顯降低，定性地揭示了它們獨特的局域原子排列。同時，三種樣品的Co-Co峰均無明顯差異。最后，最小二乘曲線擬合結(jié)果表明，CoS₂納米片中Co-S的配位數(shù)明顯從6減少到5.1，CdCoS的配位數(shù)包含了屬于CdS的S原子，并從5.1增加到了5.8。由此得到了配位數(shù)接近CdS和CoS₂之間的真實過渡層。 

　　這個研究推動了直接Z型光催化劑從試驗探索到合理設(shè)計，探索了Z型光催化系統(tǒng)電荷遷移動力學的基本機理。同步輻射光源幫助該研究組深入探究了界面微觀結(jié)構(gòu)。南開大學環(huán)境科學與工程學院副院長、該研究組組長展思輝教授這樣描述他們的工作：“界面配位結(jié)構(gòu)及電子遷移途徑仍需要深入探索，隨著同步輻射光源的逐步發(fā)展，基于同步輻射的各種實驗技術(shù)將為實時、原位、動態(tài)地表征納米結(jié)構(gòu)提供功能強大的研究平臺，在納米體系的結(jié)構(gòu)和性能表征方面發(fā)揮重要作用。”

　　發(fā)表文章： 

　　Pengfei Wang, Yueshuang Mao, Lina Li, Zhurui Shen, Xiao Luo, Kaifeng Wu, Pengfei An, Haitao Wang, Lina Su, Yi Li, and Sihui Zhan*. Unraveling the Interfacial Charge Migration Pathway at the Atomic Level in a Highly Efficient Z‐Scheme Photocatalyst, Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 11329-11334.