2025年04月，国际权威学术期刊《SMALL》在线刊登了陕西师范大学闫俊青教授团队在光催化分解水领域的前沿研究成果。该研究聚焦于开发高效光催化分解水催化剂，成功制备出S型异质结In?S? - BaTiO?催化剂，并对其在光催化分解水过程中的性能表现及作用机制展开了系统探究。此项研究为推动光催化分解水技术的发展提供了新的理论支撑和实践参考。论文第一作者为陈桂林，闫俊青教授与李有勇教授共同担任论文的通讯作者，体现了研究团队在该领域的深厚学术造诣与卓越科研水平。
1、本研究首次采用简便的冷凝回流法成功制备出由 In?S? 和 BaTiO? 复合形成的 S 型异质结，该异质结呈现出独特的形貌特征。除具备高催化活性这一显著优势外，In?S? - BaTiO? 复合材料在多次循环使用过程中展现出良好的稳定性，这使其成为可持续废水处理领域极具潜力的候选材料，为解决废水处理难题提供了新的思路和方向。
2、实验结果显示，In - Ba - 10 复合材料对多种类型的废水均表现出广泛的适应性。尤为突出的是，该材料在处理其他持久性有机污染物，如左氧氟沙星、环丙沙星、氧氟沙星、诺氟沙星、加替沙星以及盐酸四环素等方面，均展现出优异的光催化产氢（PHE）性能。这一特性充分表明，In - Ba - 10 在实际环境修复与制氢应用中具有巨大的发展潜力，有望为环境治理和能源开发带来新的突破。
3、通过拉曼光谱、X 射线光电子能谱（XPS）以及电子显微镜等多种先进表征手段的综合分析，证实 S 型异质结结构能够有效地促进电荷的分离和转移过程，显著减少电子 - 空穴对的复合，从而大幅提高催化效率。此外，第一性原理计算进一步从理论层面证实了 In?S? 在反应中作为还原位点、BaTiO? 作为氧化位点的关键作用，二者协同作用表现出优异的析氢和氧化性能，为深入理解该复合材料的催化机制提供了坚实的理论依据。
图1. 论文中出现的Fig. 1
图1:合成和结构的表征。a）说明In-Ba-X合成过程的流程图。b）详细的X射线衍射（XRD）BaTiO3、In2S3和In-Ba-10的分析。c）BaTiO3、In2S3和In-Ba-10的拉曼光谱结果。d）傅里叶变换红外（FT-IR）光谱对应于BaTiO3、In2S3和In-Ba-10。
图2:形态特征。（a）In-Ba-10的SEM图像。（b）In-Ba-10的高角度环形暗场（HAADF）成像。（c）In-Ba-10的HRTEM图像。（d）In-Ba-10的电子衍射（SAED）图案。（e-f）In-Ba-10的HRTEM图像。（g）EDS元素图。
图3:化学结构和配位信息。BaTiO3和In-Ba-10的（a）Ba 3d、（b）Ti 2p和（c）O1s的XPS光谱。（d）In 3d和（e）S 2p的XPS光谱。（f）BaTiO3和In-Ba-10的归一化Ba-L3边XANES光谱。（g）R空间中In-Ba-10相对于Ba的FTEXAFS拟合曲线。（h）BaTiO3、标准Ti箔和In-Ba-10的归一化Ti K边XANES光谱。（I）R空间中In-Ba-10相对于Ti的FTEXAFS拟合曲线。
图4:双功能催化性能。（a）PHE在BaTiO3、In2S3和In-Ba-10上的时间过程。（b）BaTiO3、In2S3和In-Ba-10的PHE速率。（c）在PHE工艺下使用BaTiO3和In-Ba-10光催化系统去除MOX的降解和一级反应动力学。（d）最近报道的双功能光催化剂的性能比较。（e）在自由基清除剂存在下的MOX降解性能。（f）In-Ba-10催化剂的双重光催化活性和稳定性反应。
图5:电荷分离和转移机制。In-Ba-10中（a）Ba 3d、（b）Ti 2p、（c）O 1s、（d）In 3d和（e）S 2p的原位辐照XPS光谱。（f） 375nm激发下BaTiO3、In2S3和In-Ba-10的时间分辨PL衰减光谱。
综上所述，本研究成功开发出一种新型 In?S? - BaTiO? 复合催化剂。该催化剂巧妙地将 In?S? 与 BaTiO? 的特性进行整合，在污染物氧化以及析氢反应中展现出卓越的性能表现。在 20 mg·L?1 的 MOX 溶液体系中，In - Ba - 10 催化剂的产氢速率高达 2050 μmol·g?1·h?1，这一数据远超目前文献报道的其他双功能光催化剂的产氢速率。同时，在 90 分钟的反应时间内，该催化剂对 MOX 的去除率达到了 99.3%，充分体现了其高效的污染物降解能力。
通过一系列实验表征手段（如拉曼光谱、X 射线光电子能谱、电子显微镜等）以及第一性原理计算，我们深入揭示了 In?S? 和 BaTiO? 形成的异质结结构能够构建一个内部电场。这一内部电场如同一个“电荷助推器”，有效促进了载流子的迁移，从而显著提升了催化剂的整体性能。在此机制下，In?S? 凭借其独特的电子结构，作为还原位点积极促进氢气的产生；而 BaTiO? 则发挥其氧化特性，作为氧化位点加速 MOX 的降解过程。
展望未来，随着环境保护需求的日益迫切，光催化材料，尤其是具有类似 S 型异质结结构的材料，在更广泛的污染物降解和能量转换领域展现出巨大的应用潜力。后续研究应聚焦于进一步提升 In - Ba - 10 催化剂的光催化效率和稳定性，特别是在处理复杂环境污染物方面，需要深入探究其作用机制和优化策略。此外，开发新型催化材料，精准调控其带隙结构，提高对阳光的吸收效率以及反应选择性，将是推动该领域发展的关键方向。随着技术的持续进步，S 型异质结光催化剂有望在环境修复和能源开发领域发挥重要作用，为实现绿色和可持续发展目标贡献力量。
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