化学工程与技术学院笃行催化与功能涂层团队在光/光热催化异质结材料设计方向上取得新研究进展

构建多组分或多相半导体异质结复合材料是提升光/光热/光电环境与能源催化中光利用效率的重要途径。然而，目前所报道的Type II型、Z型和S型等主流异质结材料都要求半导体之间的能隙存在交错，难于同时获得宽光响应范围和高氧化还原电位，限制了半导体异质结催化材料的选用范围和性能提升。另一大类能隙分裂类的III型异质结虽可同时获得宽光响应范围和高氧化还原电位，但由于组分间带隙不交错，难于形成有效的相间光致电荷传递与分离，也鲜有应用。图1总结了目前文献报道的主要半导体异质结材料。

针对以上技术难题，中山大学化学工程与技术学院笃行催化与功能涂层团队（负责人：芮泽宝教授）创新性地提出了通过在能隙分裂异质结半导体间引入具有在可见光激发下产生局域表面等离子体共振（LSPR）效应的激元作为光生电荷传递的桥连，构筑新型桥式（Type B型）异质结构的全新异质结光催化材料的设计思路，实现了在不牺牲能隙分裂类半导体的氧化还原电位和宽光响应范围的情况下光生电荷的有效传递和分离，并成功构筑了系列基于能隙分裂异质结的Type B型异质结催化剂Ag₃PO₄/Ag/GdGrO₃，CuWO₄/Ag/GdCrO₃, WO₃/Ag/GdCrO₃和Bi₂WO_6-xF_2x/Ag/GdCrO₃。所构筑的桥式异质结催化剂显示出了优异的光热协同催化净化甲苯等VOCs和还原CO₂生成CO反应性能。如图2所示，Type B型异质结中的等离子共振激元金属桥在一定的光热协同激发下产生可克服能隙分裂异质界面势垒的高能热电子-空穴对，从而为界面电荷的传递和分离开启光热等离子共振辅助传输通道（PTPRT）。高能量的热电子-空穴对在PTPRT通道中诱使异质界面的组分半导体的费米能级趋于平衡而建立能带弯曲内建电场，从而选择性地复合高还原电位半导体的光生空穴和高氧化电位半导体的光生电子。因此，所提出的Type B型异质结设立理念突破了传统异质结材料各项性能指标相互制约的技术难题，同时获得了高氧化还原能力、宽光谱响应范围和高光生电子/空穴对分离效率，有望在光/光热/光电环境与能源催化技术、光电阴保防腐技术等涩光领域得到推广应用。

该研究成果近期分别发表在环境催化领域知名期刊Applied Catalysis B: Environmental（[1] Selectively recombining the photoinduced charges in bandgap-broken Ag₃PO₄/GdCrO₃ with a plasmonic Ag bridge for efficient photothermocatalytic VOCs degradation and CO₂ reduction）和化工领域知名期刊Industrial & Engineering Chemistry Research（ [2] Plasmonic Metal Bridge Leading Type III Heterojunctions to Robust Type B Photothermocatalysts）上，笃行催化与功能涂层团队18级博士生黎景卫为论文第一作者，芮泽宝教授为通讯作者。基于所开发的光热催化材料在VOCs净化和光热催化CO₂还原等方向上所展现出来的优异性质和较好的应用前景，研究团队已申请多项发明专利（ZL 201810417799.2；CN110237853A；CN110368924A；CN111659392A），并正在通过产学研合作进行相关应用产品的开发。该工作得到了国家自然科学基金（21776322）和广东省科技创新战略专项资金(“攀登计划”（pdjh2020a0006）的资助，也得到了论文中所列的相关合作单位和科研人员的帮助。