异质结决定了半导体作为光催化和太阳能燃料技术的性能，光能转换的高效率很大程度上取决于光生载流子在分离，转移，收集和利用过程中级联效应的累积效率。光合作用是一种由外而内的光收集和由内而外的直接电荷转移的级联光系统，因此激发了人们对半导体异质结设计的探索，以期获得预期的光催化性能。二氧化钛（TiO₂）是广泛使用的半导体之一，而纳米碳也是促进电荷分离/转移/利用并显着改善半导体的光催化性能的最有效的掺杂剂之一。研究表明，碳量子点（CQD）可以轻松地掺杂到TiO₂纳米晶体中。而纳米碳和钛空位的异质结在理论上是一种级联纳米结构：通过钛空位分离和纳米碳从内部传输光生电荷。钛空位在TiO₂/碳的内部与表面/界面之间形成光生电荷的级联桥，这就是所谓的“级联效应”。同时，核-壳纳米结构与光电池中的光合作用完全一致，光电池具有由内而外的能量/质量吸收和由内而外的级联能量转移/利用。

有鉴于此，武汉理工大学阳晓宇教授，苏宝连教授采用一锅法水热法获得了具有核-壳结构的钛偏转的TiO₂@CQDs@还原的氧化石墨烯（V_Ti@CQDs@rGO）的空间分布。

文章要点

1）该三元异质结为产生空间内外异质结提供了理想的模型，从而产生了级联效应，从而具有显著的光催化和光电化学性能。空间V_Ti@CQDs@rGO异质结构在水和海水分解产生的H₂，CO₂还原反应和光电化学防腐方面优于随机表面异质结（例如TiO₂-CQDs-rGO）。

2）控制空间内外分布内的三元异质结构的能力使得所得材料具有独特而灵活的特性。这对于例如电子分离-转移-收集-利用级联的发展是至关重要的，在该级联中，V_Ti@CQDs@rGO空间异质结控制界面迁移的能量损失。研究人员通过研究这种机制，初步将其扩展为V_Ti@CQDs@rGO@Pt四元复合物。

该研究为低成本，高效率和高稳定性的高性能半导体设计提供了一条有效途径。

Yi Lu, et al, Spatial Heterojunction in Nanostructured TiO₂ and Its Cascade Effect for Efficient Photocatalysis, Nano Lett., 2020

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b05121

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b05121