空气退火Sb2S3薄膜及其异质结构增强光催化性能研究

研究人员通过化学浴沉积法制备Sb2S3薄膜，探究空气/S气氛退火温度对其结构、光电性能的影响，并构建Sb2S3/ZnO异质结构。结果显示350°C退火可获得纯相Sb2S3，其光敏性达33.67，异质结构使亚甲基蓝降解率提升至100%（165分钟），速率常数提高2.8倍。该研究为开发高效可见光响应的环境修复材料提供了新思路。

　　

在环境污染治理和清洁能源开发的双重挑战下，半导体光催化技术因其直接利用太阳能分解污染物的特性备受关注。然而，传统光催化剂如ZnO仅能利用太阳光谱中5%的紫外光，且存在载流子复合率高的问题。如何拓宽光响应范围并提升量子效率，成为该领域亟待突破的瓶颈。与此同时，具有窄带隙（1.1-1.8 eV）的硫化锑（Sb₂S₃）虽能有效吸收可见光，但其非晶态特性和界面缺陷限制了实际应用。

针对这一科学难题，墨西哥可再生能源创新研究院（Instituto de Investigación e Innovación en Energías Renovables）的C.A. Meza Avenda?o团队在《Optical Materials》发表研究，通过优化Sb₂S₃薄膜的退火工艺并构建Sb₂S₃/ZnO异质结构，显著提升了光催化性能。研究采用化学浴沉积法制备薄膜，结合X射线衍射（XRD）和拉曼光谱表征晶体结构，通过原子力显微镜（AFM）分析形貌，利用紫外-可见光谱测定光学带隙，并采用电化学阻抗谱（EIS）评估电荷传输性能，最终通过亚甲基蓝降解实验验证光催化活性。

3.1 结构分析

XRD结果显示250°C退火样品呈非晶态，300-350°C时形成纯相正交晶系Sb₂S₃（JCPDS 06-0474），而400°C以上出现Sb₂O₃杂相。Rietveld精修证实350°C样品晶胞参数最接近标准值（a=11.30 ?，b=11.37 ?，c=3.86 ?）。拉曼光谱在193 cm^-1（A_g）和238 cm^-1（B_1g）的特征峰进一步验证了晶体质量。

3.2 形貌特征

AFM显示350°C退火样品具有均匀球形颗粒（平均粒径196 nm），表面粗糙度（R_rms）适中。而450°C样品因氧化反应形成棱柱状结构（粒径337 nm），导致界面缺陷增多。

3.3 光学性能

Tauc曲线表明350°C样品带隙为1.74 eV，接近理想Sb₂S₃值。其消光系数（0.3327@660 nm）较非晶态样品提高17倍，折射率（η=2.81）和介电常数（ε₀=13.16）均显示优异的光学特性。

3.4 光电响应

350°C样品表现出最高光敏性（33.67），其光电流衰减时间仅0.7秒，表明载流子陷阱态较少。相比之下，450°C样品因氧化物相导致光敏性骤降至0.10。

3.5 异质结构性能

Sb₂S₃/ZnO异质结构呈现双重吸收边（1.73 eV和3.28 eV），SEM显示界面接触紧密（ZnO纳米管覆盖Sb₂S₃球形颗粒）。EIS测试显示界面电荷转移电阻从58 kΩ（纯ZnO）降至36 kΩ，证实异质结构促进电荷分离。

3.6 光催化机制

能带分析表明ZnO（CBM=-0.32 eV）与Sb₂S₃（VBM=1.99 eV）形成II型异质结，内置电场驱动电子-空穴对分离。超氧自由基（•O₂^-）和羟基自由基（•OH）的协同作用使亚甲基蓝降解率在165分钟内达100%，速率常数（2.06×10^-2 min^-1）较纯ZnO提高2.8倍。

该研究通过精确控制退火温度获得高结晶度Sb₂S₃薄膜，其与ZnO构建的异质结构实现了可见光吸收范围拓展与载流子分离效率提升的双重优化。相较于文献报道的TiO₂/ZnO（92%/120分钟）等体系，该工作采用环境友好的化学浴沉积法，在空气退火条件下即可获得高性能催化剂，为大规模环境治理应用提供了经济可行的解决方案。特别是通过硫气氛退火抑制硫空位缺陷的策略，对其它硫属化合物半导体器件的制备具有重要借鉴意义。