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实用标准文案
直接Z型异质结材料综述
一前言
由于化石能源储量有限及其使用中带来的环境污染，开发新的、可再生的清洁能源成为
关系人类生存和可持续发展的重大课题。太阳能是最洁净而又取之不尽的自然能源，光合作
用是绿色植物在光照作用下将二氧化碳和水转化为碳水化合物的过程，人类赖以生存的能源
和材料都直接和间接地来自光合作用。人工光合作用(即模拟自然界中的光合作用)是在光
辐照下，利用光催化剂将太阳能转化为氢能(或碳氢燃料)，也可以净化环境。因此，光催化
剂有望成为新能源利用和环境净化的关键，为未来能源利用和环境污染处理提供一个可行的
突破口，其中Z型光催化材料具有更优秀的氧化还原能力，它的应用代表了当前最前沿的新
能源利用和环境净化的发展趋势，展现出广阔的应用前景。
二正文
Z型光催化反应体系的机理
自然界中，Z型光反应系统是植物光合作用光反应阶段的重要组成部分，由两个光化学
反应和一系列的中间酶促氧化还原反应组成。电子的传递过程如图1所示，首先，叶绿素
P680(PSII)在光照射下成激发态P680*，水分子在叶绿素P680上发生氧化反应生成O，
2
在细胞色素、蛋白酶等的作用下，电子由P680*转移至叶绿素P700(PSI)叶绿素P700光
照激发后，产生的光生电子最终在酶的作用下与NADP+结合生成还原型辅酶II(NADPH)，用
以还原CO合成碳氢氧化合物。电子的转移过程在图中构成类似英文字母Z的形状，故而
2
称之为Z型。这个体系首先Bard由在研究了植物的光合作用后于1979年提出。
图1植物光合作用过程中电子的Z型传递示意图
光合作用中Z型光反应的产氧和生成NADPH分别发生在两个不同的部位人工Z型光催化剂
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实用标准文案
模仿其特点，构造了PSI与PSII反应体系，有效的避免电子与空穴的快速复合。在人
工Z型光催化体系中，PSI和PSII分别由两光催化剂构成，两半导体之间通过能级结
构耦合，光催化性能优于单一组分的光催化剂。
Z型光催化反应材料的分类
离子态Z型光催化材料：是较早研究的Z型光催化体系，其反应依靠氧化还原电子介体的
电荷传输，常见的氧化还原电子介体有如下几类：Fe3+/Fe2+、IO-离子态Z型光催化反应的
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电荷传递机理如图2所示。PSII的价带受到光激发，电子跃迁至导带处，PSII价带处
的空穴可以将HO氧化为O，并产生氢离子。PSII导带处的激发态电子与氧化还原电子
22
+
介体中的高价态离子反应，而被消耗。PSI的价带受到光激发，电子跃迁到导带处将H还
原为氢气。PSI价带的空穴与氧化还原电子介体中的低价态离子反应生成高价态离子。
图2离子态Z型光催化反应电荷传递示意图
固态Z型光催化材料：包括无导电介质（图3a）和有导电介质（图3b）的固态Z型光催化
剂两类，其光催化体系与离子态Z型光催化体系的催化机理又有所差异，固态Z型光催化体
系不含氧化还原电子介体，电荷直接通过界面传输，缩短了传输距离，提高了光催化效率。
如图3(b)所示，在光照条件下，PSI和PSII的价带留下光生空穴，电子被激发到PSI
和PSII的导带上。PSII价带上的光生空穴有很强的氧化能力，能够氧化水、有机污染物
等。PS
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