【前言】开发清洁和可再生能源是缓解能源短缺和环境恶化问题的必然选择。氢气由于其燃烧产物没有二次污染而被认为是最理想的清洁燃料。太阳光光催化分解水制氢，为清洁高效地转化利用太阳能、消除环境污染问题提供了一条极具发展前景的技术路径，引起国内外学者的研究兴趣。
光催化反应的进行应符合热力学以及动力学要求，既要求光催化材料具有较窄的能隙，以便吸收更多的光能产生光生电子与空穴，又要求光催化材料的具有适当大的能隙，以便具有合适的氧化还原势发生催化反应。目前常用的TiO2、WO3等光催化材料被广泛研究，但是效率很低：单一催化剂存在可见光利用率低或电子空穴复合率高的问题，严重制约了其光催化制氢性能。
Cd0.8Zn0.2S/Au/g-C3N4光催化产氢的过程（来源：Science Bulletin）
【简介】鉴于此，中国科学院新疆理化技术研究所环境科学与技术研究室科研人员通过对植物光合作用的细致研究发现其主要有两个光系统和一个光合链组成。光系统 II (PS II) 吸收光后发生水的氧化反应，其产生的电子通过传输通道-“光合链”-传递给光系统 I (PS I)。PS I 吸收光能后产生电子，形成具有强还原态辅酶 II (NADP) 用以还原 CO2 生成糖类物质，而自身被由 PS II 传来的电子所还原。电子传递链呈“Z”字形，因此称为 Z 型反应，该反应的量子效率接近 100%。人工Z型光催化体系由氧化反应催化剂(PS II)、还原反应催化剂(PS I)和电子介体组成。在光照射下，Z型光催化体系的两种催化剂均产生光生电荷，PS II的光生电子迁移至电子介体，然后与PS II的光生空穴复合，而PS I中光生电子发生还原反应，PS II中光生空穴发生氧化反应。
Z型光催化体系具有突出的优点：(1)借助双光子激发过程，在不同的光催化剂上分别完成还原反应和氧化反应；(2)Z型光催化体系中的光催化剂只需分别满足各自的光激发过程和对应的半反应，降低了光催化反应的热力学要求，为光催化材料的选择和设计提供了很大空间；(3)氧化反应和还原反应过程相互分离，有效抑制逆反应的发生；(4)利用电子介质，Z型光催化体系中的光生电子与空穴能够有效分离与传输，保持较强的氧化还原能力；(5)产氢催化剂的光生空穴与产氧催化剂中的光生电子相复合，增强了光催化体系的稳定性。
经过上述一系列研究沉淀，该研究团队近日通过光沉积法，在g-C3N4基底上生长Au纳米颗粒，然后在Au上负载CdxZn1−xS固溶体，制备了Z型CdxZn1−xS/Au/g-C3N4光催化剂，对其结构、形貌和光学性能进行了系统研究。以葡萄糖为牺牲剂，研究了Z型光催化剂在可见光（λ>420nm）下光解水制备氢气的性能。结果表明，Cd0.8Zn0.2S/Au/g-C3N4具有优异的产氢性能，分别是Au/g-C3N4和CdS/Au/g-C3N4的52.2倍和8.63倍；Z型光催化剂产氢活性的提高主要归因于其光生载流子的高效分离。此外，Cd0.8Zn0.2S的引入，可以抑制光催化过程中副产物CO和CO2的产生。
【应用】该催化材料有着独特的电子结构、稳定的化学性能和显著的可见光催化活性。该催化体系的催化效率高、电子-空穴复合率低，为设计高效光催化产氢催化剂提供了新思路，在光催化领域展现出了巨大的应用潜力。因此该研究结果，作为“front cover”发表于《科学通报》（Science Bulletin）。
论文链接：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927317301287
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