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2025, 41(12):
Abstract:
2025, 41(12): 100152
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100152
Abstract:
二维共价有机框架(COFs)被认为是最具太阳能驱动制氢潜力的晶态多孔材料之一，但通常需要引入贵金属助催化剂来提升其析氢能力。本研究通过简单溶剂热合成法，在典型二维共价有机框架TtTfp-COF表面生长金属硫化物，成功构建了独特的S型异质结结构TtTfp-COF/NiS复合材料。该结构中，棒状NiS的线性结构更稳定且便于后续表面修饰，同时提供关键活性位点并促进电子高效转移，显著提升析氢效率。共价有机框架通过控制前驱体与配体的空间排布，增强了载流子传输效率。实验结果表明，NT-20样品析氢速率可达5978 μmol·g−1·h−1，较原始TtTfp-COF (520 μmol·g−1·h−1)提升约11.5倍。此外，该材料在420 nm光照下表现出1.96%的显著量子效率。实验结果与理论分析共同证实了光催化析氢速率的提升，并深入阐明了S型异质结内的电荷转移机制。本文为非贵金属COF基光催化剂的设计开发提供了新思路，通过无机与有机材料在光催化中的协同组合，为S型异质结的构建提供了新见解。
二维共价有机框架(COFs)被认为是最具太阳能驱动制氢潜力的晶态多孔材料之一，但通常需要引入贵金属助催化剂来提升其析氢能力。本研究通过简单溶剂热合成法，在典型二维共价有机框架TtTfp-COF表面生长金属硫化物，成功构建了独特的S型异质结结构TtTfp-COF/NiS复合材料。该结构中，棒状NiS的线性结构更稳定且便于后续表面修饰，同时提供关键活性位点并促进电子高效转移，显著提升析氢效率。共价有机框架通过控制前驱体与配体的空间排布，增强了载流子传输效率。实验结果表明，NT-20样品析氢速率可达5978 μmol·g−1·h−1，较原始TtTfp-COF (520 μmol·g−1·h−1)提升约11.5倍。此外，该材料在420 nm光照下表现出1.96%的显著量子效率。实验结果与理论分析共同证实了光催化析氢速率的提升，并深入阐明了S型异质结内的电荷转移机制。本文为非贵金属COF基光催化剂的设计开发提供了新思路，通过无机与有机材料在光催化中的协同组合，为S型异质结的构建提供了新见解。
2025, 41(12): 100155
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100155
Abstract:
设计与构建兼具高效光生载流子分离能力和强氧化/还原能力的双功能S型异质结光催化剂，在能源转换与环境净化的光催化应用中具有重要实践价值。本研究通过静电纺丝与水热法系统设计合成了一系列新型x% CoWO4/CdIn2S4复合材料(x%代表CWO与CIS的质量比；x = 10, 20, 30, 40, 50)。通过可见光下甲醛降解与产氢实验评估其光催化性能。最优的30% CWO/CIS异质结展现出865.14 μmol g−1 h−1的卓越产氢性能(420 nm处表观量子效率AQE = 3.6%)，并在1 h内实现69%的甲醛去除率。基于原位红外光谱技术解析了甲醛降解路径。优异的催化性能主要归因于可见光吸收增强、活性位点数量增加及S型异质结的构建。通过原位XPS、电子自旋共振测试、自由基捕获实验及密度泛函理论(DFT)计算，证实了CWO/CIS体系的S型电荷转移机制。该研究为系统性开发兼具气体污染物去除与产氢功能的双功能S型异质结提供了重要见解。
设计与构建兼具高效光生载流子分离能力和强氧化/还原能力的双功能S型异质结光催化剂，在能源转换与环境净化的光催化应用中具有重要实践价值。本研究通过静电纺丝与水热法系统设计合成了一系列新型x% CoWO4/CdIn2S4复合材料(x%代表CWO与CIS的质量比；x = 10, 20, 30, 40, 50)。通过可见光下甲醛降解与产氢实验评估其光催化性能。最优的30% CWO/CIS异质结展现出865.14 μmol g−1 h−1的卓越产氢性能(420 nm处表观量子效率AQE = 3.6%)，并在1 h内实现69%的甲醛去除率。基于原位红外光谱技术解析了甲醛降解路径。优异的催化性能主要归因于可见光吸收增强、活性位点数量增加及S型异质结的构建。通过原位XPS、电子自旋共振测试、自由基捕获实验及密度泛函理论(DFT)计算，证实了CWO/CIS体系的S型电荷转移机制。该研究为系统性开发兼具气体污染物去除与产氢功能的双功能S型异质结提供了重要见解。
2025, 41(12): 100158
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100158
Abstract:
S型异质结因其优异的电荷分离能力和最大化的氧化还原电位，在高效光催化产氢领域受到广泛关注。本研究通过Yamamoto偶联反应合成新型芘-苯并噻二唑共轭聚合物(YBTPy)，并采用溶剂热法原位沉积CdS纳米颗粒，构建了CdS/YBTPy S型异质结光催化剂。优化后的CP5复合材料产氢速率达5.01 mmol h−1 g−1，较纯相CdS(1.20 mmol h−1 g−1)提升4.2倍。通过原位辐照X射线光电子能谱结合开尔文探针力显微镜，阐明了异质结界面的特征性S型电荷转移路径。此外，采用飞秒瞬态吸收光谱研究了光生载流子的动力学行为。该工作为有机-无机杂化S型光催化体系的设计提供了新的理论基础。
S型异质结因其优异的电荷分离能力和最大化的氧化还原电位，在高效光催化产氢领域受到广泛关注。本研究通过Yamamoto偶联反应合成新型芘-苯并噻二唑共轭聚合物(YBTPy)，并采用溶剂热法原位沉积CdS纳米颗粒，构建了CdS/YBTPy S型异质结光催化剂。优化后的CP5复合材料产氢速率达5.01 mmol h−1 g−1，较纯相CdS(1.20 mmol h−1 g−1)提升4.2倍。通过原位辐照X射线光电子能谱结合开尔文探针力显微镜，阐明了异质结界面的特征性S型电荷转移路径。此外，采用飞秒瞬态吸收光谱研究了光生载流子的动力学行为。该工作为有机-无机杂化S型光催化体系的设计提供了新的理论基础。
2025, 41(12): 100159
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100159
Abstract:
尽管氢气具有高能量密度、环境友好性和可再生性等优势，但其高效生产受限于析氧反应(Oxygen Evolution Reaction，OER)的缓慢动力学。本研究报道了一种Pt@PtNi3核壳合金电催化剂，通过引入Ni元素调控Pt 5d反键轨道占据，同步提升析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction，HER)与尿素氧化反应(Urea Oxidation Reaction，UOR)活性。对于HER，优化后的Pt@PtNi3-500在酸性条件下实现10 mA cm-2电流密度仅需21 mV的低过电位，同时在碱性条件下的UOR起始电位为1.27 V，性能均优于单金属Pt和Ni催化剂。当被应用于酸碱非对称电解(HER/UOR)时，相较于传统碱性水分解(HER/OER)，Pt@PtNi3-500的制氢能耗降低了68.3%。机理研究表明Pt@PtNi3中适量的Ni掺杂增加了Pt 5d–H 1s反键轨道占据，既强化了H+吸附又削弱了过强的H*结合，同时还降低了*NH2脱氢能垒，从而协同促进了氢气生成与尿素分解。该研究为高效生物质氧化辅助制氢合金电催化剂设计提供了新思路。
尽管氢气具有高能量密度、环境友好性和可再生性等优势，但其高效生产受限于析氧反应(Oxygen Evolution Reaction，OER)的缓慢动力学。本研究报道了一种Pt@PtNi3核壳合金电催化剂，通过引入Ni元素调控Pt 5d反键轨道占据，同步提升析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction，HER)与尿素氧化反应(Urea Oxidation Reaction，UOR)活性。对于HER，优化后的Pt@PtNi3-500在酸性条件下实现10 mA cm-2电流密度仅需21 mV的低过电位，同时在碱性条件下的UOR起始电位为1.27 V，性能均优于单金属Pt和Ni催化剂。当被应用于酸碱非对称电解(HER/UOR)时，相较于传统碱性水分解(HER/OER)，Pt@PtNi3-500的制氢能耗降低了68.3%。机理研究表明Pt@PtNi3中适量的Ni掺杂增加了Pt 5d–H 1s反键轨道占据，既强化了H+吸附又削弱了过强的H*结合，同时还降低了*NH2脱氢能垒，从而协同促进了氢气生成与尿素分解。该研究为高效生物质氧化辅助制氢合金电催化剂设计提供了新思路。
2025, 41(12): 100160
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100160
Abstract:
共价有机框架材料(COFs)因其结构可精确调控且具有高比表面积，被认为是极具前景的过氧化氢(H2O2)光催化合成材料。然而，pH值对COFs在光催化合成H2O2过程中稳定性的关键影响尚不明确。本研究通过简单质子化策略显著提升了亚胺连接型COF的光催化H2O2合成性能。值得注意的是，质子化COF在弱酸性条件(pH ≥ 3)下表现出优异的稳定性，但在强酸性条件(pH < 3)下会发生不可逆水解。质子化过程发生在亚胺单元的氮原子上，具有双重功能：抑制超快电荷复合(由飞秒瞬态吸收光谱证实)以及直接为H2O2生成提供质子源。此外，在光催化体系中引入氟离子(F−)可进一步提高H2O2产率，F−的强电负性促进了电子从COF向F−转移，从而实现光生载流子的空间分离。机理研究证实H2O2通过双电子氧还原反应路径生成。这些发现阐明了质子化COFs的pH依赖性稳定性与活性，为载流子转移动力学提供了思路，并为开发高效稳定的COF基光催化剂用于太阳能驱动H2O2合成确立了设计原则。
共价有机框架材料(COFs)因其结构可精确调控且具有高比表面积，被认为是极具前景的过氧化氢(H2O2)光催化合成材料。然而，pH值对COFs在光催化合成H2O2过程中稳定性的关键影响尚不明确。本研究通过简单质子化策略显著提升了亚胺连接型COF的光催化H2O2合成性能。值得注意的是，质子化COF在弱酸性条件(pH ≥ 3)下表现出优异的稳定性，但在强酸性条件(pH < 3)下会发生不可逆水解。质子化过程发生在亚胺单元的氮原子上，具有双重功能：抑制超快电荷复合(由飞秒瞬态吸收光谱证实)以及直接为H2O2生成提供质子源。此外，在光催化体系中引入氟离子(F−)可进一步提高H2O2产率，F−的强电负性促进了电子从COF向F−转移，从而实现光生载流子的空间分离。机理研究证实H2O2通过双电子氧还原反应路径生成。这些发现阐明了质子化COFs的pH依赖性稳定性与活性，为载流子转移动力学提供了思路，并为开发高效稳定的COF基光催化剂用于太阳能驱动H2O2合成确立了设计原则。
2025, 41(12): 100168
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100168
Abstract:
供体-π-受体(D-π-A)共轭聚合物是一类新兴材料，其结构特征为交替排列的电子供体(D)、π桥(π)和电子受体(A)单元，在增强可见光吸收及优化电荷分离与再分布方面展现出显著潜力。为克服石墨相氮化碳(g-C3N4)的局限性并发挥D-π-A体系的结构优势，本研究通过精确的分子水平调控，设计合成了一系列4-芳香胺衍生物修饰的g-C3N4光催化剂，以实现特定的局域电子离域化。该策略可系统研究电子离域程度与光催化H2O2生成之间的构效关系。此外，调控电子离域的吸电子诱导效应显著增强了光生电子向表面活性位点的转移效率。最优催化剂表现出卓越的H2O2生成性能，其产率是原始g-C3N4的30.44倍。机理研究表明，D-π-A型g-C3N4的光催化H2O2生成主要通过双电子氧还原反应(ORR)路径实现。
供体-π-受体(D-π-A)共轭聚合物是一类新兴材料，其结构特征为交替排列的电子供体(D)、π桥(π)和电子受体(A)单元，在增强可见光吸收及优化电荷分离与再分布方面展现出显著潜力。为克服石墨相氮化碳(g-C3N4)的局限性并发挥D-π-A体系的结构优势，本研究通过精确的分子水平调控，设计合成了一系列4-芳香胺衍生物修饰的g-C3N4光催化剂，以实现特定的局域电子离域化。该策略可系统研究电子离域程度与光催化H2O2生成之间的构效关系。此外，调控电子离域的吸电子诱导效应显著增强了光生电子向表面活性位点的转移效率。最优催化剂表现出卓越的H2O2生成性能，其产率是原始g-C3N4的30.44倍。机理研究表明，D-π-A型g-C3N4的光催化H2O2生成主要通过双电子氧还原反应(ORR)路径实现。
2025, 41(12): 100174
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100174
Abstract:
本文采用静电纺丝与水热法相结合的策略，成功制备了具有双功能的TiO2/CdIn2S4 S型异质结光催化剂，用于耦合产氢与香兰醇(VAL)选择性氧化为香兰醛(VN)。实验结果表明，含0.5 wt% CdIn2S4的复合材料表现出最佳光催化性能，其产氢速率达403.36 μmol g−1 h−1，同时VAL转化率为90.99%。实验与密度泛函理论(DFT)计算证实，S型异质结结构可有效促进光生电荷的迁移与分离，显著提升电荷分离效率。在该体系中具有更强氧化能力的光生空穴被保留下来，用于催化VAL转化为VN，而具有更强还原能力的电子则用于光催化产氢反应。本研究提出了一种将光催化产氢与有机化合物选择性转化相结合的新策略，为开发高效太阳能驱动的新型光催化系统提供了创新思路。
本文采用静电纺丝与水热法相结合的策略，成功制备了具有双功能的TiO2/CdIn2S4 S型异质结光催化剂，用于耦合产氢与香兰醇(VAL)选择性氧化为香兰醛(VN)。实验结果表明，含0.5 wt% CdIn2S4的复合材料表现出最佳光催化性能，其产氢速率达403.36 μmol g−1 h−1，同时VAL转化率为90.99%。实验与密度泛函理论(DFT)计算证实，S型异质结结构可有效促进光生电荷的迁移与分离，显著提升电荷分离效率。在该体系中具有更强氧化能力的光生空穴被保留下来，用于催化VAL转化为VN，而具有更强还原能力的电子则用于光催化产氢反应。本研究提出了一种将光催化产氢与有机化合物选择性转化相结合的新策略，为开发高效太阳能驱动的新型光催化系统提供了创新思路。
2025, 41(12): 100190
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100190
Abstract:
构建S型异质结光催化剂已成为解决抗生素废水污染，实现其高效修复的重要策略。然而，半导体间界面接触紧密性不足与电荷转移过程难以精确调控等问题，仍然制约其实际应用。本研究通过可控溶剂热合成法构建了分级Cd0.5Zn0.5S/BiOBr S型异质结，其中BiOBr微球作为核芯，Cd0.5Zn0.5S纳米颗粒锚定在其表面形成共形外壳。这种结构确保了最大界面接触与定向电荷传输，对优化光催化效率至关重要。优化后的异质结展现出卓越的催化性能，其四环素(TC)降解速率常数分别是纯相BiOBr和Cd0.5Zn0.5S的3.3倍和1.6倍。这种增强源于S型机制固有的高效电荷分离与保留氧化还原能力的协同作用。此外，本研究阐明了TC降解过程与机制，为开发高性能缺陷型S型异质结用于抗生素废水净化提供了新视角。
构建S型异质结光催化剂已成为解决抗生素废水污染，实现其高效修复的重要策略。然而，半导体间界面接触紧密性不足与电荷转移过程难以精确调控等问题，仍然制约其实际应用。本研究通过可控溶剂热合成法构建了分级Cd0.5Zn0.5S/BiOBr S型异质结，其中BiOBr微球作为核芯，Cd0.5Zn0.5S纳米颗粒锚定在其表面形成共形外壳。这种结构确保了最大界面接触与定向电荷传输，对优化光催化效率至关重要。优化后的异质结展现出卓越的催化性能，其四环素(TC)降解速率常数分别是纯相BiOBr和Cd0.5Zn0.5S的3.3倍和1.6倍。这种增强源于S型机制固有的高效电荷分离与保留氧化还原能力的协同作用。此外，本研究阐明了TC降解过程与机制，为开发高性能缺陷型S型异质结用于抗生素废水净化提供了新视角。
2025, 41(12): 100176
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100176
Abstract:
能源危机与环境恶化的危害日益严峻，亟需发展环境友好型可持续生产技术。将丰富的太阳能直接转化为化学能，被视为一种极具前景的绿色高效技术方案。在此过程中，光催化剂扮演着至关重要的角色。共价有机框架材料(COFs)作为一种通过共价键连接的多孔材料，凭借其高比表面积、优异的结晶性和可调控的结构，展现出卓越的光催化潜力。本综述深入探讨了组分调控对提升COFs光催化性能的作用机制，涵盖调控光吸收、增加活性位点、促进激子解离以及改善载流子分离，并对相关计算模拟与机理表征方法进行了详细论述。更为重要的是，系统总结了组分调控的核心策略，包括杂原子工程、金属单原子工程、离子工程、官能团工程、供体-受体(D-A)分子工程、侧链工程、多组分工程、同分异构工程、共轭桥工程、单分子结工程和层间工程。此外，本文还详细阐述了这些策略在光催化析氢(H2)、过氧化氢(H2O2)合成及二氧化碳(CO2)还原等领域的多样化改性策略与应用。最后，对COF基光催化技术当前面临的挑战及未来发展方向进行了前瞻性展望。
能源危机与环境恶化的危害日益严峻，亟需发展环境友好型可持续生产技术。将丰富的太阳能直接转化为化学能，被视为一种极具前景的绿色高效技术方案。在此过程中，光催化剂扮演着至关重要的角色。共价有机框架材料(COFs)作为一种通过共价键连接的多孔材料，凭借其高比表面积、优异的结晶性和可调控的结构，展现出卓越的光催化潜力。本综述深入探讨了组分调控对提升COFs光催化性能的作用机制，涵盖调控光吸收、增加活性位点、促进激子解离以及改善载流子分离，并对相关计算模拟与机理表征方法进行了详细论述。更为重要的是，系统总结了组分调控的核心策略，包括杂原子工程、金属单原子工程、离子工程、官能团工程、供体-受体(D-A)分子工程、侧链工程、多组分工程、同分异构工程、共轭桥工程、单分子结工程和层间工程。此外，本文还详细阐述了这些策略在光催化析氢(H2)、过氧化氢(H2O2)合成及二氧化碳(CO2)还原等领域的多样化改性策略与应用。最后，对COF基光催化技术当前面临的挑战及未来发展方向进行了前瞻性展望。
2025, 41(12): 100185
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100185
Abstract:
近年来，二硫化锡(SnS2)基异质结因其理想带隙(2.0–2.3 eV)、卓越稳定性、环境友好性及优异表面反应活性，在光催化和传感领域展现出巨大应用潜力。尽管优势显著，但目前对该新兴领域的系统性综述仍较为缺乏。本文首先概述了SnS2异质结构的前沿合成策略，继而重点评述其在析氢反应、环境修复和过氧化氢合成等关键应用中的光催化性能表现。随后分析了其气体传感特性，特别聚焦二氧化氮和氨气的检测。机理研究表明，性能提升源于定制的异质结设计：S型异质结显著促进光催化中的电荷分离；n-n/p-n结优化了传感应用中的活性位点分布与气体吸附。SnS2与耦合半导体间的界面协同作用被确认为性能提升的关键因素。最后，本文提出了结论、展望及未来挑战。
近年来，二硫化锡(SnS2)基异质结因其理想带隙(2.0–2.3 eV)、卓越稳定性、环境友好性及优异表面反应活性，在光催化和传感领域展现出巨大应用潜力。尽管优势显著，但目前对该新兴领域的系统性综述仍较为缺乏。本文首先概述了SnS2异质结构的前沿合成策略，继而重点评述其在析氢反应、环境修复和过氧化氢合成等关键应用中的光催化性能表现。随后分析了其气体传感特性，特别聚焦二氧化氮和氨气的检测。机理研究表明，性能提升源于定制的异质结设计：S型异质结显著促进光催化中的电荷分离；n-n/p-n结优化了传感应用中的活性位点分布与气体吸附。SnS2与耦合半导体间的界面协同作用被确认为性能提升的关键因素。最后，本文提出了结论、展望及未来挑战。
