异质结类型的介绍

创作时间:

作者:

@小白创作中心

异质结类型的介绍

引用

来源

https://m.elecfans.com/article/6365688.html

异质结是光催化领域中一种重要的结构设计，通过在空间上分离光生电子-空穴对，可以显著提高光催化剂的性能。本文详细介绍了不同类型的异质结，包括传统的I型、II型和III型异质结，以及p-n异质结、表面异质结和Z型异质结。这些异质结在光催化中的作用机制和优缺点，以及具体的实例和参考文献。

传统异质结类型

为了有效分离半导体中光生成的电子-空穴对，人们提出了各种策略，例如通过掺杂、金属负载、或引入异质结。在这些策略中，光催化剂中的异质结工程因其在空间上分离电子-空穴对的可行性和有效性，已被证明是制备先进光催化剂的最有前途的方法之一。

I型异质结

对于I型异质结光催化剂，半导体A的导带(CB)和价带(VB)分别高于和低于半导体B的相应带。由于电子和空穴都聚集在同一半导体上，I型异质结光催化剂的电子-空穴对无法有效分离。此外，氧化还原反应发生在氧化还原电位较低的半导体上，从而大大降低了异质结光催化剂的氧化还原能力。

II型异质结

对于II型异质结光催化剂，半导体A的CB和VB位置高于半导体B的相应位置。因此，在光照射下，光生电子将转移到半导体B，而光生空穴将迁移到半导体A，从而导致电子-空穴对的空间分离。与I型异质结类似，II型异质结光催化剂的氧化还原能力也会降低，因为还原反应和氧化反应分别发生在还原电位较低的半导体B和氧化电位较低的半导体A上。

III型异质结

III型异质结光催化剂的结构与II型异质结光催化剂相似，只是交错间隙变得非常大，以至于带隙无法重叠。因此，III型异质结无法实现两种半导体之间的电子-空穴迁移和分离，不适合用于增强电子-空穴对的分离。

在上述传统异质结中，II型异质结显然是用于提高光催化活性最有效的传统异质结，因为它具有适合电子-空穴对空间分离的结构。常见II型异质结：TiO2/g-C3N4、BiVO4/WO3、g-C3N4-WO3等，以提高光催化活性。一般来说，II型异质结光催化剂具有良好的电子-空穴分离效率、较宽的光吸收范围和较快的传质速度。

p-n异质结

p-n异质结光催化剂的概念就是通过提供额外的电场，加速电子-空穴在异质结上的迁移，从而提高光催化性能。在光照射之前，p-n界面附近n型半导体上的电子往往会扩散到p型半导体中，留下带正电的物质。同时，p-n界面附近的p型半导体上的空穴会扩散到n型半导体中，留下带负电的物质。电子-空穴扩散将持续到系统达到费米级平衡为止。因此，靠近p-n界面的区域会带电，形成一个"带电"空间或所谓的内部电场。当p型和n型半导体受到能量等于或高于其带隙值的入射光照射时，p型和n型半导体都会被激发，产生电子-空穴对。在内部电场的影响下，p型半导体和n型半导体中光生成的电子和空穴会分别迁移到n型半导体的CB和p型半导体的VB，从而导致电子-空穴对的空间分离。值得注意的是，这种电子-空穴分离过程在热力学上也是可行的，因为在p-n异质结光催化剂中，p型半导体的CB和VB位置通常高于n型半导体。

图1. NiS/CdS p–n异质结示意图（来源：Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 12088）