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2026年03月12日，郑州大学岳新政、易莎莎团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Strategic Charge Transfer Regulation in a Bifunctional Heterostructure for Concurrent Photocatalytic Furfural Synthesis and H2 Evolution”的研究论文，郑州大学Yi Wen-Jing、Ji Jun-Wei为论文共同第一作者，岳新政、清华大学朱永法、易莎莎为论文共同通讯作者。
第一作者：Yi Wen-Jing、Ji Jun-Wei
通讯作者：岳新政、朱永法、易莎莎
通讯单位：郑州大学、清华大学
论文DOI：10.1002/adfm.74844
该研究报道了通过引入高导电性Ti₃C₂Tₓ中间层合理设计的Z型Zn₃In₂S₆/Ti₃C₂Tₓ/g-C₃N₄异质结构，用于选择性糠醛合成和H₂生成。Ti₃C₂Tₓ介质通过欧姆接触和双内建电场（IEFs）的形成，触发了电荷转移机制从II型到Z型的可控转变，从而促进了定向电子流并抑制了复合。结果表明，优化后的光催化剂实现了0.97 mmol g⁻¹ h⁻¹的糠醛产率且选择性接近100%，同时H₂析出速率达到0.99 mmol g⁻¹ h⁻¹，超越了先前报道的大多数双功能光催化系统。该研究展示了一种在耦合氧化还原光化学中引导电荷传输的策略性方法，并为同步生物质升级和太阳能燃料生产开辟了一条可行路径。
光催化已成为一种有前景且可持续的技术，以应对全球能源危机和环境污染。异质结光催化剂的性能从根本上取决于光生载流子的有效分离和定向迁移。在各种异质结构设计中，II型和Z型构型通过合理的能带排列实现空间电荷分离已被广泛探索。然而，传统的II型异质结常常因不希望的电荷转移到较低能带而遭受氧化还原能力受损，这极大地限制了其实际应用。相比之下，Z型架构不仅促进有效电荷分离，还能保持强氧化还原电位，为驱动热力学上具有挑战性的光催化反应提供了一个更有利平台。
尽管取得了显著进展，但合理设计集成了高效多通道电荷转移、强内建电场和明确电荷传输路径的Z型异质结仍然具有挑战性。目前，导电介质如贵金属（例如Au和Ag）和氧化石墨烯（GO）已被用于促进三元Z型系统中的电子穿梭，然而其实际应用受到诸如不理想的界面接触、高成本和可扩展性差等问题的限制。此外，通过介质集成有意地将电荷转移路径从II型引导至Z型很少实现，这是由于精确控制界面电荷动力学的复杂性。近年来，MXenes，特别是Ti₃C₂Tₓ，因其卓越的导电性、可调的功函和丰富的表面官能团而作为有前景的电子介质引起了极大兴趣。研究表明，Ti₃C₂Tₓ可以在Z型系统中作为有效的电子桥或助催化剂，显著加速界面电荷转移和提取。此外，低电阻欧姆接触的建立和定制化的界面性质已被证明能促进从II型到Z型电荷转移路径的转变，凸显了MXene集成的异质结构在调控光生电荷流方面的潜力。
除了电荷转移路径的策略性设计，材料选择在设计高效光催化系统中也至关重要。硫铟化锌（ZnₓIn₂S₃₊ₓ，x = 1-3）和石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因其可调的能带结构、高比表面积和层状形貌而成为特别有吸引力的半导体。其固有的能带排列为构建具有增强光催化性能的II型异质结提供了理想的基础。在此，该研究策略性地将Ti₃C₂Tₓ引入ZnₓIn₂S₃₊ₓ/g-C₃N₄异质结中，以定向调控电荷载流子传输行为。由于Ti₃C₂Tₓ的功函（Φ）低于g-C₃N₄，容易形成肖特基结。为了与Ti₃C₂Tₓ构建有效的欧姆接触，必须选择一种最佳的ZnₓIn₂S₃₊ₓ组分，其费米能级不仅能合适地匹配，而且能作为具有更正价带电位的氧化光催化剂。Zn₃In₂S₆凭借其合适的功函和高价带电位被选中，成为构建高效Z型Zn₃In₂S₆/Ti₃C₂Tₓ/g-C₃N₄（ZIS/TC/CN）异质结构的战略性选择。除了异质结构设计，传统的光催化H₂析出通常采用牺牲试剂（例如三乙醇胺、Na₂SO₃），这不仅通过生成低值副产物浪费了光生空穴的氧化能力，而且还增加了操作成本和工艺复杂性。一个有吸引力的替代方案是将H₂析出与生物质衍生中间体如糠醇（FOL）的选择性氧化耦合，从而实现清洁氢气和糠醛（FAL）等高值化学品的同步生产，进而最大化原子和能量经济性。
在此，该研究构建了一种MXene调控的Z型ZIS/TC/CN异质结，用于协同光催化选择性氧化FOL到FAL并耦合H₂生产。通过策略性地引入导电Ti₃C₂Tₓ中间层作为电子介质，借助低电阻欧姆接触的形成，电荷转移路径成功地从II型转向Z型，同时在ZIS/TC和TC/CN界面处建立起双内建电场，显著增强了载流子分离并保留了强氧化还原电位。优化后的ZIS/TC/CN实现了0.97 mmol g⁻¹ h⁻¹的优异FAL产率且选择性接近100%，同时H₂产率达到0.99 mmol g⁻¹ h⁻¹。这一性能比纯CN提高了71.2倍，与二元ZIS/CN复合材料相比也提升了2.3倍。通过原位表征技术和理论模拟，阐明了电荷迁移机制并识别了催化活性位点，为集成生物质增值的高效太阳能转换提供了强有力的范例。
图1 | (a) ZIS/TC/CN异质结示意图。(b) ZIS/TC/CN的HRTEM图像，(c) HAADF图像及对应的EDX元素分布图像。(d) CN、ZIS、ZIS/CN和ZIS/TC/CN的FTIR光谱。ZIS、ZIS/CN和ZIS/TC/CN的(e) C 1s和(f) N 1s XPS光谱。ZIS、ZIS/CN和ZIS/TC/CN的(g) Zn 2p，(h) In 3d和(i) S 2p XPS光谱。
图2 | (a) CN、TC和ZIS的UPS谱图。(b) CN、TC和ZIS的能带结构。(c) ZIS/CN界面处模拟的差分电荷密度分布。黄色和绿色区域分别代表电子聚集和耗尽。(d) 提出的光照下ZIS/CN和ZIS/TC/CN异质结构的电荷转移机制。(e) ZIS/TC/CN中TC/CN和TC/ZIS界面处模拟的差分电荷密度分布。原位（f）ZIS/CN和ZIS/TC/CN在有和没有光照射下的C 1s和（g）Zn 2p XPS谱图。（h）在O₂饱和甲醇中形成的DMPO-•O₂⁻和（i）在水中形成的DMPO-•OH的原位EPR谱图。
图3 | ZIS/CN和ZIS/TC/CN在(a1,b1)暗态和(a2,b2)光照下的KPFM表面电势图像。(c) ZIS/CN和(d) ZIS/TC/CN在暗态和光照下的接触电势差变化。
图4 | (a) CN、ZIS/CN和ZIS/TC/CN的相对IEF强度。(b) CN、TC/CN、ZIS/CN和ZIS/TC/CN的PL谱图。(c) CN、ZIS和ZIS/TC/CN的TRPL谱图。(d) CN、TC/CN、ZIS/CN和ZIS/TC/CN的归一化OCP衰减曲线。(e) CN、ZIS/CN和ZIS/TC/CN的SPV和(f) TPV谱图。
图5 | (a) FAL合成耦合H₂析出的光催化反应速率。误差棒代表三组实验统计结果的标准偏差。(b) ZIS/TC/CN在不同反应条件下的对照实验。(c) ZIS/TC/CN在D₂O中测得的气态产物的GC-MS谱图。(d) 不同单色光下的波长依赖性AQE。(e) ZIS/TC/CN用于H₂和FAL生产的循环光催化性能。(f) 暗态和光照下ZIS和ZIS/TC/CN上形成的DMPO-∙C₅H₅O₂的原位EPR谱图。
图6 | (a) FOL在不同光催化剂上的吸附能。(b) ZIS和ZIS/CN上FOL氧化步骤的自由能图。(c) H⁎中间体在ZIS、CN和b-CN上的吉布斯自由能。(d) 提出的ZIS/TC/CN异质结构中电荷转移过程及光催化FOL氧化耦合H₂析出的反应机理。
总之，该研究成功展示了一种MXene介导的Z型Zn₃In₂S₆/Ti₃C₂Tₓ/g-C₃N₄异质结构的创新设计，用于协同光催化选择性糠醛合成和产氢。通过引入Ti₃C₂Tₓ作为电子导电中间层，借助低电阻欧姆接触，电荷转移路径有效地从II型转变为Z型机制，同时建立了高强度双内建电场。这种构型显著加速了界面电荷转移，促进了高效电荷分离，同时保留了强氧化还原电势。优化的催化剂在无需添加任何助催化剂的情况下，实现了0.97 mmol g⁻¹ h⁻¹的显著糠醛产率（近100%选择性）和0.99 mmol g⁻¹ h⁻¹的H₂产率。该性能与大多数先前报道的光催化剂相当，甚至超越。该研究为光生电荷转移的可控调控提供了宝贵见解，突显了其在同时生产高附加值化学品和太阳能燃料方面的巨大潜力。
