天大/中大ACS Nano: 调控光生载流体转移，实现高效光催化糠醛合成耦合HER

光催化糠醇(FFA)氧化为糠醛(FF)耦合产氢为生产绿色氢能和高价值化合物提供了一种有效的途径。CdS作为一种典型的过渡金属硫化物半导体，由于其可见光响应特性和适当的能带结构，在光催化H₂析出方面具有显著的优势。纯CdS存在严重的光生载流体复合和光腐蚀问题，明显抑制了其光催化活性。值得注意的是，适当的异质结具有实现光生载流体空间分离的能力，同时保持相对稳健的氧化还原能力。此外，金属纳米粒子(Au、Ag和Cu等)诱导的局域表面等离子共振效应(LSPR)在扩大光吸收范围、优化电荷分离、促进活性分子的吸附和解离等方面显示出很好的应用前景。此外，由于Cu的成本低于贵金属Au和Ag，开发合理的策略将其纳入光催化剂中以提高光催化析H₂活性和实现FFA选择性氧化成FF具有实际意义。

基于此，天津大学于涛和中山大学胡卓锋等将In₂O₃和Cu纳米粒子(NPs)先后固定在CdS纳米棒(NRs)上，构建了一种串-并联的光催化剂(Cu NPs/CdS/In₂O₃)，实现了光催化H₂析出和FFA选择性氧化为FF的耦合。

实验结果表明，对于CdS/In₂O₃，电子从CdS转移到In₂O₃，从而形成内置电场并构建CdS/In₂O₃异质结；对于Cu NPs/CdS，电子从CdS转移到Cu。强大的界面相互作用提供了定向电荷转移通道，增加了有利的吸附和活性中心，从而显著增强了H₂和FF的光催化协同生产。因此，Cu NPs/CdS/In₂O₃光催化剂上H₂和FF生产速率分别为5.88和7.03 μmol h^-1，并且经过5个反应循环后光催化活性仍然相对稳定。

根据理论计算和原位光谱表征结果，Cu NPs/CdS/In₂O₃光催化产H₂与FFA选择性氧化为FF的机制可能是：在光激发下，Cu NPs/CdS/In₂O₃产生电子-空穴对，其中CdS的光生电子转移到Cu NPs上，而CdS的光生空穴与In₂O₃的光生电子重组，形成串-并联结构。

值得注意的是，Cu NPs诱导的LSPR效应激发高能热电子加速H⁺还原为H₂，同时保留的In₂O₃的光生空穴用于氧化FFA生成FF。总的来说，该项工作通过光生载流子的迁移调控显著提升了反应性能，为今后高效光催化剂的设计提供了参考。

Regulating the transfer of photogenerated carriers for photocatalytic hydrogen evolution coupled with furfural synthesis. ACS Nano, 2024. DOI: 10.1021/acsnano.4c04562