Zn-Ni2P/g-C3N4 Z型异质结协同界面电场与功函数加速光生电荷分离实现高效光催化产氢

这篇研究通过构建Zn-Ni2P/g-C3N4 Z型异质结，利用界面电场（IEF）和功函数协同作用，显著提升光生电荷分离效率，实现1077 μmol·g?1·h?1的可见光催化产氢速率，性能超越贵金属Pt修饰体系，为太阳能驱动材料设计提供了新策略。

　　

研究背景与意义

能源危机与环境污染推动了对清洁氢能的需求。光催化水分解技术被视为“圣杯”式解决方案，但其效率受限于光生电荷快速复合。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因窄带隙（2.7 eV）和适宜能带位置成为研究热点，但本征缺陷导致电荷分离效率低下。过渡金属磷化物（TMPs）如Ni₂P具有类金属电子传导特性，但单一组分催化性能有限。本研究通过Zn掺杂调控Ni₂P电子结构，并与g-C₃N₄构建Z型异质结，协同界面电场（IEF）与功函数效应突破效率瓶颈。

材料设计与表征

采用水热-原位磷化法制备Zn-Ni₂P/g-C₃N₄复合材料。XRD显示Zn掺杂诱导Ni₂P的（201）晶面择优生长（PDF#03-0953），FTIR证实g-C₃N₄的807 cm^?1三嗪环特征峰保留。TEM显示Zn-Ni₂P粒径（0.206 nm晶面间距）较纯Ni₂P减小50%，EDX证实C/N/Ni/Zn/P元素均匀分布。XPS揭示异质界面电子重排：C 1s（288.4 eV）和N 1s（398.6 eV）结合能负移，而Ni 2p（856.8 eV）和P 2p（133.2 eV）正移，表明电荷从Zn-Ni₂P向g-C₃N₄转移。

光电性能与机制

UV-Vis DRS显示复合材料带隙调整为3.09 eV，VB-XPS测得g-C₃N₄（2.41 eV）与Zn-Ni₂P（-0.34 eV）能级匹配。PL光谱表明异质结使荧光强度降低80%，EIS显示电荷转移电阻减少67%。DFT计算揭示：

1. 电荷密度差分析显示IEF从Zn-Ni₂P指向g-C₃N₄（黄色/青色电荷分区）；

2. 功函数差异（g-C₃N₄:3.87 eV vs Zn-Ni₂P:4.90 eV）驱动电子迁移；

3. p带态密度上移使H吸附吉布斯自由能（ΔG_H）降至0.175 eV。

催化性能与稳定性

在可见光下（λ≥420 nm），最优比例Zn-Ni₂P/g-C₃N₄(1:3)产氢速率达1077 μmol·g^?1·h^?1，是Pt/g-C₃N₄的2倍，表观量子效率8.9%。AM1.5光照下性能提升至13,969 μmol·g^?1。循环测试49小时后活性无衰减，XRD/SEM证实结构稳定性。

结论与展望

该工作通过Zn掺杂精确调控Ni₂P电子结构，结合Z型异质结设计与IEF效应，实现了光生电荷分离-传输-催化全流程优化，为非贵金属光催化剂开发提供了新范式。未来可拓展至CO₂还原等多元光催化体系。