银氧化物/镧掺杂石墨相氮化碳Z型异质结光催化剂的理性设计与高效产氢性能研究

本研究针对g-C3N4基光催化剂电荷复合严重的问题，通过构建AgO/La@g-C3N4 Z型异质结，实现16.7 mmol g-1 h-1的产氢速率，较原始材料提升13倍，为太阳能制氢提供了高效稳定的新型催化剂。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，太阳能驱动的水分解制氢技术被视为最具潜力的绿色能源解决方案之一。然而，作为明星光催化材料的石墨相氮化碳(g-C₃N₄)面临着光生载流子复合率高、可见光利用率有限等瓶颈问题。中南大学化学化工学院湖南省微纳材料界面科学重点实验室的研究团队在《Materials Today Catalysis》发表创新成果，通过精准设计AgO/La@g-C₃N₄(ALCN) Z型异质结，将产氢性能提升至行业领先水平。

研究团队采用三步法构建高效催化体系：首先通过尿素热聚合和酸蚀剥离制备g-C₃N₄纳米片，再通过超声辅助湿法浸渍引入La掺杂(LCN)，最后通过化学氧化法在LCN表面锚定AgO纳米颗粒形成ALCN复合材料。关键技术包括X射线衍射(XRD)确认晶体结构、X射线光电子能谱(XPS)分析元素价态、瞬态光电流测试和电化学阻抗谱(EIS)评估电荷分离效率，以及紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)测定能带结构。

【形貌与结构表征】透射电镜(TEM)显示18 nm的AgO纳米颗粒均匀分布在g-C₃N₄纳米片上，EDX mapping证实La、Ag、O元素的均匀分布。XRD中31°处的特征峰证实单斜相AgO的成功合成，而XPS Ag 3d双峰(367.68/373.68 eV)验证了Ag⁺的存在。

【光电性能优化】ALCN-0.3表现出最优异的电荷分离特性：光电流密度提升3倍，Nyquist圆弧半径最小，PL荧光强度显著降低。能带分析显示，La掺杂使g-C₃N₄带隙从2.76 eV增至2.86 eV，而AgO的窄带隙(1.16 eV)有效拓展了光响应范围。

【催化性能突破】在300 W氙灯照射下，ALCN-0.3的产氢速率达16.7 mmol g^-1 h^-1，分别是原始g-C₃N₄、LCN和Ag₂O复合材料的13倍、4倍和2倍。循环测试5次后仍保持92%活性，优于多数文献报道的g-C₃N₄基催化剂(见表1对比数据)。

【机制解析】莫特-肖特基测试证实p型AgO与n型g-C₃N₄形成Z型异质结，内置电场(BIEF)驱动电荷定向转移：La³⁺的4f电子态作为桥梁促进电荷迁移，AgO的导带电子直接参与质子还原，而g-C₃N₄价带空穴氧化三乙醇胺(TEOA)牺牲剂。

该研究通过稀土掺杂与异质结工程的协同作用，为设计高效Z型光催化体系提供了新范式。特别值得注意的是，相较于常见的Ag₂O/g-C₃N₄体系，AgO中Ag²⁺的d电子构型展现出更强的催化活性，这一发现为银基催化材料的开发开辟了新方向。研究者提出的"能带梯度调控-界面电荷定向传输"策略，不仅适用于光解水制氢，对CO₂还原、H₂O₂合成等光催化过程同样具有重要借鉴意义。