CuS与PCN-222之间的Z型异质结结构，用于高效光热催化CO?还原

《Molecular Catalysis》：Z-scheme heterojunction between CuS and PCN-222 for efficient photothermal catalytic CO 2 reduction

光催化二氧化碳还原效率通过CuS/PCN-222 Z-scheme异质结实现显著提升，其产率达70.35 μmol·g?1·h?1，较单一材料提高25-28倍。LSPR效应增强近红外光吸收，异质结构建促进电荷高效分离与转移，PCN-222的高稳定性抑制CuS结构退化。

　　本研究探讨了一种基于光热协同效应的新型光催化剂，旨在提升二氧化碳（CO?）的光催化还原效率。随着化石燃料的广泛使用，人类活动导致了大量CO?排放，加剧了环境问题，因此开发可持续的碳中和策略变得尤为重要。光催化CO?还原作为一种绿色技术，能够利用太阳能将CO?转化为高附加值化学品，从而减少碳排放并实现资源的循环利用。然而，传统的光催化材料在光吸收范围、光子利用率以及光生载流子的分离与迁移效率方面存在一定的局限性。为此，研究团队设计并制备了一种基于Z型异质结结构的CuS/PCN-222复合材料，通过引入光热效应，显著提升了CO?的还原性能。

CuS作为一种非贵金属材料，具有良好的光热转换能力，能够有效吸收近红外（NIR）光。其独特的局域表面等离子体共振（LSPR）效应使其在光催化过程中表现出优异的性能。然而，CuS的光生电子-空穴对容易快速复合，导致光生载流子迁移效率较低，进而影响催化反应的整体效果。此外，CuS在光催化过程中可能会发生结构变化，如表面氧化或晶体退化，这会降低其稳定性和可重复使用性，增加实际应用的成本和复杂性。因此，如何提升CuS的光生载流子分离效率并增强其稳定性，成为本研究关注的重点。

为了解决上述问题，研究团队选择将CuS与PCN-222复合。PCN-222是一种金属有机框架（MOF）材料，其结构由TPCP有机配体和Zr?（六边形氧化锆簇）金属中心组成。该材料具有较大的比表面积和丰富的活性位点，能够有效吸附CO?并促进光催化反应。同时，PCN-222表现出良好的化学稳定性，其结构在较宽的pH范围内保持不变，金属-有机配位键能够抵抗化学腐蚀，从而维持良好的催化性能。通过将CuS纳米颗粒均匀分布在PCN-222的骨架上，不仅提升了CuS的分散性，还避免了纳米颗粒的聚集，进一步增强了复合材料的光催化性能。

本研究采用了一种原位生长的方法来合成CuS/PCN-222复合材料。首先，通过化学沉淀法合成CuS纳米颗粒，再将其负载到PCN-222骨架上，形成Z型异质结结构。这种异质结结构能够实现有效的电荷传输，防止光生电子-空穴对的快速复合，从而提高复合材料的还原能力。同时，CuS的LSPR效应能够增强光热转换效率，使复合材料在可见光照射下表现出更高的CO?还原活性。实验结果表明，CuS/PCN-222在可见光照射下的CO?还原效率显著高于单独的CuS和PCN-222，分别达到25.40倍和28.95倍。这一结果不仅验证了Z型异质结结构在提升光催化性能方面的有效性，也展示了光热效应在光催化反应中的重要性。

此外，研究还通过扫描电子显微镜（SEM）对CuS/PCN-222复合材料的形貌和微观结构进行了表征。SEM图像显示，CuS纳米颗粒在PCN-222的骨架上均匀分布，形成了稳定的异质结结构。这种结构不仅增强了光催化反应的活性位点，还提高了材料的整体稳定性。通过进一步的表征和实验分析，研究团队发现，CuS/PCN-222复合材料在光催化过程中表现出优异的性能，其光生载流子的迁移效率显著提升，同时材料的结构在长时间反应后依然保持稳定，为光催化CO?还原提供了新的思路。

本研究的创新点在于将Z型异质结结构与LSPR效应相结合，构建了一种具有光热协同效应的新型光催化剂。这种材料不仅能够有效吸收可见光，还能通过LSPR效应增强对近红外光的响应，从而拓宽了光催化反应的光吸收范围。此外，通过原位生长技术，实现了CuS纳米颗粒与PCN-222骨架之间的紧密接触，增强了两者之间的协同效应。这种结构设计不仅提高了光催化反应的效率，还为大规模应用提供了可行性。

综上所述，本研究通过合成CuS/PCN-222复合材料，成功构建了一种具有优异光催化性能的新型光催化剂。该材料在可见光照射下表现出显著的CO?还原活性，其效率是单独CuS和PCN-222的25.40倍和28.95倍。研究结果表明，Z型异质结结构和LSPR效应的结合能够有效提升光催化反应的性能，为实现高效、稳定的CO?还原提供了一种可行的策略。同时，该材料在实际应用中表现出良好的稳定性，能够重复使用，降低了应用成本。未来，进一步优化材料的结构和性能，探索其在更大规模和更复杂环境下的应用，将是研究的重要方向。