中国科学院西北生态环境资源研究院Jianjun Liang等–α-相酞菁氧化石墨烯范德华异质结构中轨道耦合和载流子转移

氧化石墨烯(GO)在光电材料中的应用受到载流子分离和迁移率不高以及可见光利用率低的限制。在本研究中，我们提出了一种通过制备范德华异质结构来克服这些缺点的策略。将α-相酞菁(α-H₂Pc)与氧化石墨烯在水中简单组装，制备出目标异质结构Pc-GO。α-H₂Pc的π轨道与GO的价带之间存在能量退降，是H₂Pc向GO传递光生电子的通道。有趣的是，随着H₂Pc层数的减少，电子转移更加显著。这样就设计出了异质结构的费米能级。光谱学技术和电化学方法也证明了载流子的快速迁移。基于这些优势，Pc-GO实现了As(III)的有效光催化解毒，没有任何电子/空穴损耗或额外的脱气，平均反应速率为0.68 mg g^–1 h^–1。特别是Pc-GO在可见光范围内表现出良好的光催化活性，与全光谱相比，其活性保持了53.1%。Pc-GO经A4打印纸包裹后，仍能保持22%的光催化性能，这对于Pc-GO在天然浑水中的实际应用至关重要。此外，Pc-GO的可见光催化作用被证明与独特的α-H₂Pc叠层相关。这项工作扩展了As(III)修复材料的制备策略，并提供了一种通过改变二维半导体排列来设计器件光电性能的可能方法。

图1. (a) GO和(b) Pc-GO的TEM图像。(c) AFM平面图像和(d) Pc-GO薄片的3D视图。GO、H₂Pc和Pc-GO的(e)XPS、(f) FT-IR、(g) Raman和(h) XRD分析。

图2. (a)UV-vis谱图，(b) N 1 s和(c) C 1 s精细光谱，以及(d)原料和制备的vdWHs的FT-IR谱图

图3. 通过电化学和UPS方法分别得到的GO和Pc-GO的(a)平带和(b)导带结构，(c)得到的带隙模式，(d)原材料和Pc-GO的UV-vis分析，(e)电化学阻抗谱和(f) GO和Pc-GO的光电流响应分析。

图4. (a)As(Ⅲ)解毒试验中GO和Pc-GO的光催化性能。(b)•DMPO-O₂加合物的EPR光谱。(c)初始As(III)浓度、(d) pH值和(e)温度对Pc-GO光催化性能的影响。(f) Pc-GO催化剂再生试验。

图5. (a) UV-vis吸收分析和(b) As(III)在不同辐照条件下的光催化解毒分析，(c) UV-vis光谱和(d) H₂Pc在低浓度范围内的Beer-Lambert图。

相关研究成果由中国科学院西北生态环境资源研究院Jianjun Liang等人于2022年发表在Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134998)上。原文：Effective visible-light catalysis triggered by the orbital coupling and carrier transfer in α-phase phthalocyanine/graphene oxide van der Waals heterostructure