【国内论文】SPT丨四川轻化工大学：新型氧化镓异质结具备环保节能与低碳应用优势

        由四川轻化工大学的研究团队在学术期刊 Separation and Purification Technology 发布了一篇名为 Construction of novel vacancies-enriched S-scheme γ-Ga₂O₃/g-C₃N₄ heterojunctions with improved photocatalytic green hydrogen production and Cr(VI) reduction performance（构建新型空位富集S-方案 γ-Ga₂O₃/g-C₃N₄ 异质结，提升光催化绿色制氢与Cr(VI)还原性能）的文章。

        随着社会发展，化石燃料的枯竭和燃烧产生的污染促使人类寻找新能源。氢能（H₂）作为一种高能量密度、零碳排放的可再生能源，是应对能源短缺和环境危害的前沿技术。利用太阳能通过半导体光催化剂分解水产生氢气是一种绿色清洁技术 。然而，目前光催化制氢的效率仍面临巨大挑战，需要设计高效稳定的光催化剂。类石墨相氮化碳（g-C₃N₄）具有高物理化学稳定性、合适的带隙且制备环保，被视为光催化领域的“圣杯”材料。但其光生载流子复合快、活性位点有限，严重限制了其活性。为了抑制载流子复合，研究者探索了元素掺杂、空位工程和异质结构建等策略 。其中，S型异质结通过内部电场驱动空间电荷分离，能有效提升光催化性能。氧化镓（Ga₂O₃）作为第四代宽禁带半导体，具有强氧化还原能力。立方相 γ-Ga₂O₃ 拥有较宽的带隙和合适的能带位置，预期能与 g-C₃N₄ 形成兼容的能带结构以实现高效电荷分离。

        光催化制氢是缓解能源危机的有效途径，具有环保节能、低碳排放的优势。本研究构建了富含空位的创新型 S 方案 γ-Ga₂O₃/g-C₃N₄ 异质结，并通过多种技术手段对其进行表征。实验结果表明，S 方案 γ-Ga₂O₃/g-C₃N₄ 异质结显著提升了 g-C₃N₄ 的光诱导载流子分离效率。含 20mg γ-Ga₂O₃ 的复合样品在光催化产氢与 Cr(VI) 还原活性方面，分别达到对照组 g-C₃N₄ 的 2.8 倍与 1.9 倍。该异质结还展现出优异的稳定性。基于观测结果，性能提升源于 S 型电荷分离机制、富集空位及丰富活性位点的协同效应。本研究为利用改性 g-C₃N₄ 光催化剂实现高效光催化产氢与六价铬还原提供了创新途径。

        ● 首次构建了 γ-Ga₂O₃/g-C₃N₄ 型异质结，利用两种材料能带的匹配性实现了电荷的高效空间分离。

        ● 通过 EPR 测试证实，复合材料中富含空位，这些缺陷态不仅作为活性位点，还能显著增强光生电荷的分离效果。

        ● 该材料同时展现出卓越的产氢性能和重金属 Cr（VI）还原能力，为解决能源生产和环境修复双重问题提供了新思路。

        通过传统尿素法成功制备了 g-C₃N₄，并采用浸渍法制备了 nGa₂O₃/g-C₃N₄ 异质结。20Ga₂O₃/g-C₃N₄ 展现出最高的光催化产氢性能，产氢速率较对照组 g-C₃N₄ 提升 1.8 倍。其光催化 Cr(VI) 还原活性较对照组提升 1.9 倍。γ-Ga₂O₃ 的引入显著提升了比表面积。关键在于：通过 S 方案机制增强的电荷分离、新增的空位以及丰富的活性位点，共同推动了光催化产氢与 Cr(VI) 还原活性的提升。本研究揭示了调控 g-C₃N₄ 电荷分离、增强光催化产氢与 Cr(VI) 还原性能的可行路径。

        本研究得到四川理工大学学生创新项目（202410622009）、四川理工大学科研创新团队计划（SUSE652A007）、 四川省化学合成污染控制重点实验室开放基金项目（CSPC202409）以及四川省教育厅四川理工大学低成本农村环境处理技术重点实验室项目（XCH2024ZA-03, XCH2023ZB11）。

方案1. 20Ga₂O₃/g-C₃N₄ 设计合成工艺示意图

图1. nGa₂O₃/g-C₃N₄ 的 XRD 图谱（A），不同样品的 FT-IR 谱图（B），不同样品的 SEM 图像及 20Ga₂O₃/g-C₃N₄ 的元素映射图（C），20Ga₂O₃/g-C₃N₄ 的 TEM 与 HRTEM 图像（D）。

图2. γ-C₃N₄、γ-Ga₂O₃ 及 20Ga₂O₃/γ-C₃N₄ 的 Ga 2p（A）、C 1s（B）和 N 1s（C）XPS 谱；不同光催化剂的 N₂ 吸附与脱附等温线（D）及样品的低温 EPR 谱（E）。

图3. 基于双电层电容的样品在不同扫描速率下的PL光谱（A）、TRPL光谱（B）、瞬态光电流（C）及ECSA测量结果（D）。

图4. nGa₂O₃/g-C₃N₄ 催化剂的产氢总量（A）、产氢速率（B）、循环实验结果（C），以及 20Ga₂O₃/g-C₃N₄ 催化剂在循环前后 XRD 图谱（D）。

图5. Cr(VI) 的光催化还原（A）及 Cr(VI) 的光催化还原速率常数（k）（B）。

图6. g-C₃N₄ 与 n-Ga₂O₃/g-C₃N₄ 的紫外-可见光 DRS 谱（A），g-C₃N₄ 与 γ-Ga₂O₃ 的 Tauc 曲线（B），g-C₃N₄（C）与 γ-Ga₂O₃（D）的 Mott-Schottky 图。

图7. g-C₃N₄（A）与γ-Ga₂O₃（B）的UPS光谱，γ-Ga₂O₃/g-C₃N₄的电荷转移与诱导反应机理示意图（C）。

DOI：

doi.org/10.1016/j.seppur.2025.136357