《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Efficient visible-light-responsive CN/In2O3/MoO3 heterojunctions for sustainable H2 generation and environmental remediation
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本文针对石墨相氮化碳(CN)和氧化铟(In2O3)光催化剂存在的光腐蚀、可见光响应弱及载流子复合严重等问题，设计出CN/In2O3/MoO3三元Z型异质结材料。该复合材料在可见光下实现了2706.5 μmol g?1h?1的产氢速率和91.4%的孔雀石绿降解效率，并通过DFT理论计算揭示了增强内建电场与Z型电荷转移机制。研究为多功能光催化剂开发提供了重要理论依据。
在能源危机与环境污染的双重压力下，开发高效可持续的清洁能源技术已成为全球科研界的焦点。太阳能驱动的光催化技术因其能直接将太阳能转化为化学能而备受瞩目，其中光解水制氢和有机污染物降解是两大重要应用方向。石墨相氮化碳（graphitic carbon nitride， CN）和氧化铟（Indium(III) oxide, In2O3）作为典型的可见光响应半导体材料，以其成本低廉、合成简单和性质稳定等优点被视为理想的候选者。然而，它们的实际应用却面临着几大“拦路虎”：一是材料本身容易发生光腐蚀，导致稳定性下降；二是其光学带隙对于充分利用太阳光而言仍显不足；最关键的是，光激发产生的电子-空穴对极易复合，大大降低了光催化效率。为了解决这些瓶颈问题，构建异质结以促进电荷分离是常见的策略，但如何设计出兼具高效电荷分离和强氧化还原能力的体系仍是一大挑战。
为此，一篇发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上的研究提出了一种巧妙的解决方案：构建一种全新的三元纳米复合材料CN/In2O3/MoO3-0.2。这项研究旨在通过引入第三种组分三氧化钼（MoO3），在CN与In2O3之间搭建起高效的电荷转移桥梁，从而同时提升材料在可见光下的产氢性能和污染物降解能力。研究的目标不仅是获得高性能的材料，更在于从机理上阐明这种提升背后的物理本质。
为了达成上述目标，研究人员综合运用了多种关键技术方法。首先，他们通过水热法和煅烧法等湿化学方法合成了CN、In2O3、MoO3及其不同比例的三元复合材料。利用X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）等技术对材料的晶体结构和微观形貌进行了表征，确认了异质结的成功构建。通过紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）分析了材料的光吸收特性。光催化性能评估分别在产氢系统和有机污染物（孔雀石绿， MG）降解系统上进行，使用气相色谱和紫外-可见分光光度计定量检测反应产物。为了探究反应机理，研究进行了自由基捕获实验，并使用电子自旋共振（ESR）技术检测了反应过程中的活性物种。此外，研究还借助基于密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）的第一性原理计算，从电子结构层面深入分析了异质结界面的电荷分布、内建电场以及可能的电荷转移路径，为实验现象提供了理论支撑。
研究结果部分的主要发现如下：
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材料结构与形貌表征：XRD和TEM结果证实成功制备了CN、In2O3和MoO3的纳米复合材料，且各组分之间形成了紧密的界面接触，这有利于电荷的跨界面传输。
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光吸收性能：UV-Vis DRS分析表明，与单一的CN和In2O3相比，三元复合材料在可见光区的吸收能力显著增强，这为更高效地利用太阳光奠定了基础。
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光催化产氢性能：在可见光照射下，优化比例的三元复合材料（CN/In2O3/MoO3-0.2）表现出卓越的产氢活性，速率高达2706.5 μmol g?1h?1，远优于任一单一组分或二元复合材料，证明了三者之间存在显著的协同效应。
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光催化降解性能：在降解有机污染物孔雀石绿的实验中，该三元复合材料同样展现出优异性能，在可见光照射下可实现91.4%的降解效率，显示了其在环境修复方面的强大潜力。
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稳定性与可重复使用性：循环实验表明，该光催化剂在连续使用五个周期后，对孔雀石绿的降解效率仍能保持在77.8%，证明了其良好的稳定性和可重复使用性，这对于实际应用至关重要。
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反应机理探究：通过自由基捕获实验和ESR检测发现，在光催化降解过程中，空穴（h?）和羟基自由基（·OH）是起主要作用的活性物种。这一发现指明了反应的主要途径。
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理论计算揭示机理：DFT计算为性能的显著提升提供了定量化的解释。计算结果表明，在三元异质结构中形成了显著增强的内建电场，并证实了Z型（Z-scheme）电荷转移机制的存在。在这种机制下，光生电子和空穴分别富集在具有更强还原性和氧化性的组分上，不仅实现了载流子的高效空间分离，降低了复合概率，还最大程度地保留了材料整体的强氧化还原能力，从而同时提升了产氢和降解性能。
结论与讨论部分对全文工作进行了总结与展望。 本研究成功设计并制备了一种高效的CN/In2O3/MoO3三元Z型异质结光催化剂。该材料在可见光驱动下，同时实现了高速率的氢气生产和高效的有机污染物降解，其性能提升源于独特的Z型异质结结构所促进的有效电荷分离与迁移。DFT理论计算从本质上揭示了增强的内建电场和Z型电荷转移路径是优异性能的根源。稳定性测试和机理研究进一步证实了该材料的实用潜力与反应本质。这项工作的意义在于，它不仅开发出一种具有双重功能的高性能光催化材料，更重要的是通过实验与理论的紧密结合，深刻阐释了三元Z型异质结体系中的电荷转移与分离机制，为未来理性设计和开发面向可持续能源生产与环境污染治理的多功能光催化系统提供了重要的理论依据和实践指导。
