中空核壳结构的Co?O?/Cd?.?Zn?.?结构形成的p-n结，通过双金属协同效应显著增强了光催化产氢（H?）及分解反应的性能

《Surfaces and Interfaces》：Hollow core-shell Co 3O 4/Cd 0.8Zn 0.2S p-n junction for enhanced photocatalytic H 2 evolution/degradation via bimetallic synergism

中空核壳Co3O4/Cd0.8Zn0.2S p-n结通过MOFs自模板化学煅烧法合成，显著提升HER（6816.52 μmol·g-1·h-1）和光降解性能（0.16753 min-1），较单体材料分别提高103.4倍和89.0倍，机理涉及能带梯度调控、双金属协同效应及中空结构优化活性位点与载流子传输。

　　这项研究探讨了一种新型的光催化剂——空心核壳结构的Co?O?/Cd?.?Zn?.?S p-n结，其制备方法基于MOFs（金属有机框架）自模板辅助的化学煅烧法。该催化剂在氢气生成（HER）和光降解性能方面表现出显著的提升，相较于单独的Co?O?和Cd?.?Zn?.?S，其HER效率提高了约103.4倍，光降解速率提高了约19.7倍，而Cd?.?Zn?.?S的HER和光降解效率分别提升了89倍和10.9倍。同时，该催化剂在长期使用中表现出良好的稳定性，这使其在环境修复和清洁能源生产领域具有广阔的应用前景。

Co?O?作为一种p型半导体，因其具有较窄的带隙和较高的费米能级而具备优异的光催化性能。它在光催化反应中能够有效捕获光生载流子，并且在HER和光降解反应中都表现出了较高的活性。然而，Co?O?的单一结构存在较高的载流子复合率，这限制了其在实际应用中的效率。为了解决这一问题，研究人员引入了Cd?.?Zn?.?S作为n型半导体，构建了p-n结结构。这种结构通过优化载流子的传输路径、延长其寿命以及减少复合，从而显著提高了光催化效率。

Cd?.?Zn?.?S是一种具有优异光电性能的金属硫化物，它不仅能够与Co?O?形成有效的p-n结，还能通过其自身的特性进一步优化光催化反应。例如，Cd/Zn双金属效应可以调节费米能级，从而增强载流子的生成和驱动能力。此外，Cd?.?Zn?.?S的带隙结构使其能够有效地响应可见光，从而提高光能的利用率。这种材料还具有较高的结构稳定性，能够有效抑制光腐蚀现象，从而延长催化剂的使用寿命。

为了进一步提升催化剂的性能，研究人员采用了一种特殊的空心核壳结构。这种结构不仅增加了催化剂的比表面积，还提供了更多的活性位点，使得光生载流子能够更高效地参与反应。同时，空心结构有助于减少光生载流子的复合率，提高其迁移效率。此外，空心结构还能增强催化剂的机械强度和分散性，使其在实际应用中更加稳定和高效。

在实验过程中，研究人员通过化学煅烧法，利用MOFs（特别是ZIF-67）作为自模板，成功制备了Co?O?/Cd?.?Zn?.?S p-n结。ZIF-67作为前驱体，在适当的温度和时间条件下，通过化学氧化反应形成了Co?O?的空心纳米球。随后，通过化学沉积方法在Co?O?的表面生长出Cd?.?Zn?.?S的壳层。这种方法不仅简化了制备过程，还确保了结构的均匀性和稳定性。此外，MOFs的自模板作用还可以有效避免模板蚀刻，从而保持材料的完整性。

实验结果表明，该空心核壳结构的Co?O?/Cd?.?Zn?.?S p-n结在HER和光降解反应中均表现出优异的性能。通过结构表征和DFT计算，研究人员进一步揭示了其优异性能的来源。首先，p-n结的形成提供了适当的电势梯度，有助于载流子的分离和传输。其次，Co??/Co3?混合态的存在不仅增加了光生载流子的数量，还提高了载流子的迁移能力。此外，空心结构的设计增加了活性位点的数量，缩短了载流子的传输路径，从而有效抑制了光腐蚀现象，提高了催化剂的稳定性。

在实际应用中，这种新型的p-n结催化剂可以用于多种光催化反应，包括水分解制氢、有机污染物的降解以及二氧化碳的转化等。由于其优异的光响应能力和高效的载流子传输性能，该催化剂在光催化领域具有重要的研究价值和应用潜力。同时，其良好的稳定性也使其在工业规模应用中更具可行性。

研究人员还通过多种表征手段对催化剂的结构和性能进行了深入分析。XRD分析显示，Co?O?的空心核在特定角度下表现出清晰的衍射峰，表明其结构稳定且前驱体分解完全。FTIR光谱分析进一步验证了材料的化学组成和结构特征，未检测到任何额外的吸收峰，说明材料的合成过程较为纯净。此外，通过电化学测试和光催化实验，研究人员还评估了催化剂的性能，并对其工作机制进行了探讨。

在实际应用中，这种新型催化剂可以用于多种光催化反应，包括水分解制氢、有机污染物的降解以及二氧化碳的转化等。由于其优异的光响应能力和高效的载流子传输性能，该催化剂在光催化领域具有重要的研究价值和应用潜力。同时，其良好的稳定性也使其在工业规模应用中更具可行性。

此外，研究人员还对不同Cd?.?Zn?.?S比例的样品进行了系统研究，以优化其性能。通过调整Cd和Zn的比例，可以进一步调节费米能级和带隙结构，从而提高催化剂的光催化效率。实验结果显示，当Cd/Zn比例为0.8/0.2时，催化剂的性能达到最佳状态，这表明该比例在平衡光响应和结构稳定性方面具有优势。

在光催化反应中，催化剂的性能不仅取决于其自身的结构和组成，还受到反应条件的影响。例如，光照强度、反应时间、反应温度以及反应物的浓度都会对催化剂的性能产生影响。因此，研究人员在实验过程中对这些参数进行了系统优化，以确保催化剂能够在最佳条件下发挥其最大潜力。通过调整反应条件，研究人员发现该催化剂在可见光照射下能够持续高效地进行光催化反应，表现出良好的应用前景。

这项研究的意义不仅在于开发了一种高效的光催化剂，还在于探索了MOFs自模板辅助合成方法在光催化材料制备中的应用。这种方法为设计和合成具有优异性能的光催化材料提供了新的思路和手段。通过合理调控材料的结构和组成，可以进一步提高其光催化效率和稳定性，从而满足实际应用的需求。

此外，这项研究还揭示了p-n结在光催化反应中的重要作用。p-n结能够有效分离光生载流子，减少其复合率，从而提高光能的利用率。同时，p-n结的结构还可以调节费米能级，使得载流子的迁移更加高效。这些特性使得p-n结成为光催化反应中不可或缺的一部分。因此，未来的研究可以进一步探索不同类型的p-n结结构，以寻找更高效的光催化剂。

总的来说，这项研究通过结合Co?O?和Cd?.?Zn?.?S的优势，成功制备了一种具有优异光催化性能的空心核壳结构p-n结催化剂。该催化剂在HER和光降解反应中表现出显著的提升，同时具备良好的稳定性。通过合理的结构设计和材料选择，研究人员为光催化反应提供了一种新的解决方案，这将对清洁能源和环境治理领域产生深远的影响。未来，随着研究的深入，这种新型催化剂有望在实际应用中发挥更大的作用，为可持续发展提供有力的技术支持。