S型异质结
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发布时间：2024-10-06 12:34
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时间：2024-11-20 06:29
第一代传统Z型异质结由两个错开型的半导体光催化剂和氧化还原电子介体对组成。在光激发产生光生电子空穴后，PC I 的光生空穴与电子给体D反应生成电子受体A，同时PC II 的光生电子与电子受体A反应生成电子给体D。然而，由于引入了额外的氧化还原电子介体，这些离子只有在溶液中才能实现足够的迁移速率，因此该体系受限于溶液相的反应，可能发生不可预料的副反应。
第二代全固态Z型光催化剂从界面的角度来看，预期假设的电子转移如图2c所示。但从电荷能量转移的角度来看，光生电子会优先通过导体从PC I 的导带转移到PC II 的价带，如图2d所示。然而，在实验中很难精确保证导体粒子恰好位于两个光催化剂之间，这在催化剂的合理设计上带来了诸多挑战。
如图3A所示，RP具有更高的CB和VB位置，并且当这两个半导体紧密接触时，电子自发地扩散到OP，形成电子耗尽层以及RP和OP中界面附近的电子积聚层。这个OP带负电，RP带正电。同时，形成了一个从RP指向OP的内部电场，如图9B所示。这种内部电场加速了光生电子从OP转移到RP。当OP和RP接触时，费米能量应该排列在同一水平上，这导致了向上和OP和RP的费米能级分别向下移动。带状弯曲促使OP的CB中的光生电子和RP的VB中的空穴要重新组合的界面区域。OP的CB中的光生电子和RP的VB中的空穴倾向于在库仑下的界面处重新结合空穴和电子之间的吸引力。总之，这三个因素是驱动力用于OP的CB中的电子和RP的VB中的空穴的复合。因此，无用的电子和空穴通过复合被消除，而RP的CB中强大的光生电子和OP的VB被保留以参与光催化反应。
S型光催化剂由于其独特的载流子转移模式，具有着较强的氧化还原能力，即较强的驱动力。然而，考虑到反应热力学和动力学都决定着最终的光催化性能，仅依靠S方案的热力学优势是不够的。为了进一步提高S方案光催化剂的光催化性能，需要几种方法。
（1） 调节RP和OP的费米能级。掺杂是调节半导体费米能级的有效策略，可用于加宽RP和OP间的能级间隙。
（2）用助催化剂进行改性。合适的助催化剂有利于电荷分离和较低的光催化反应势垒。因此，将还原助催化剂负载在还原光催化剂的表面上，将氧化助催化剂负载到氧化光催化剂表面上。
（3） 形态学工程和界面*。合理设计S型光催化剂的形貌结构可以提高其光催化性能。
S型光催化剂的缺点和局限性包括：
(1) 其应用范围主要局限于粉末型光催化剂。它们不适用于光电化学和具有外部电路的太阳能电池；
(2) 选择构建S方案光催化剂的两种半导体主要是n型半导体，且应该具有合适的能带结构和明显的费米能级差异。
