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光催化糠醇(FFA)氧化為糠醛(FF)耦合產(chǎn)氫為生產(chǎn)綠色氫能和高價值化合物提供了一種有效的途徑。CdS作為一種典型的過渡金屬硫化物半導體，由于其可見光響應特性和適當?shù)哪軒ЫY(jié)構，在光催化H₂析出方面具有顯著的優(yōu)勢。純CdS存在嚴重的光生載流體復合和光腐蝕問題，明顯抑制了其光催化活性。值得注意的是，適當?shù)漠愘|(zhì)結(jié)具有實現(xiàn)光生載流體空間分離的能力，同時保持相對穩(wěn)健的氧化還原能力。此外，金屬納米粒子(Au、Ag和Cu等)誘導的局域表面等離子共振效應(LSPR)在擴大光吸收范圍、優(yōu)化電荷分離、促進活性分子的吸附和解離等方面顯示出很好的應用前景。此外，由于Cu的成本低于貴金屬Au和Ag，開發(fā)合理的策略將其納入光催化劑中以提高光催化析H₂活性和實現(xiàn)FFA選擇性氧化成FF具有實際意義。

基于此，天津大學于濤和中山大學胡卓鋒等將In₂O₃和Cu納米粒子(NPs)先后固定在CdS納米棒(NRs)上，構建了一種串-并聯(lián)的光催化劑(Cu NPs/CdS/In₂O₃)，實現(xiàn)了光催化H₂析出和FFA選擇性氧化為FF的耦合。

實驗結(jié)果表明，對于CdS/In₂O₃，電子從CdS轉(zhuǎn)移到In₂O₃，從而形成內(nèi)置電場并構建CdS/In₂O₃異質(zhì)結(jié)；對于Cu NPs/CdS，電子從CdS轉(zhuǎn)移到Cu。強大的界面相互作用提供了定向電荷轉(zhuǎn)移通道，增加了有利的吸附和活性中心，從而顯著增強了H₂和FF的光催化協(xié)同生產(chǎn)。因此，Cu NPs/CdS/In₂O₃光催化劑上H₂和FF生產(chǎn)速率分別為5.88和7.03 μmol h^-1，并且經(jīng)過5個反應循環(huán)后光催化活性仍然相對穩(wěn)定。

根據(jù)理論計算和原位光譜表征結(jié)果，Cu NPs/CdS/In₂O₃光催化產(chǎn)H₂與FFA選擇性氧化為FF的機制可能是：在光激發(fā)下，Cu NPs/CdS/In₂O₃產(chǎn)生電子-空穴對，其中CdS的光生電子轉(zhuǎn)移到Cu NPs上，而CdS的光生空穴與In₂O₃的光生電子重組，形成串-并聯(lián)結(jié)構。

值得注意的是，Cu NPs誘導的LSPR效應激發(fā)高能熱電子加速H⁺還原為H₂，同時保留的In₂O₃的光生空穴用于氧化FFA生成FF。總的來說，該項工作通過光生載流子的遷移調(diào)控顯著提升了反應性能，為今后高效光催化劑的設計提供了參考。

Regulating the transfer of photogenerated carriers for photocatalytic hydrogen evolution coupled with furfural synthesis. ACS Nano, 2024. DOI: 10.1021/acsnano.4c04562

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