光催化技术作为近年来的研究热点，被认为是众多环境污染治理方法中最绿色的技术，同时具备高效、经济、环保等优点。
但是常见的半导体光催化剂如二氧化钛、氧化锌、三氧化钨、五氧化二钽、硫化镉、硫化锌等都受到了量子产率低、可见光利用率低、光生电子与光生空穴分离能力差等限制，极大地制约了其在工业上的广泛应用。
为了加强半导体催化剂的光催化效率，普遍都是从以下两个方面入手：
（1）提高光生空穴和光生电子的分离效率；
（2）使半导体的光吸收范围向长波方向延伸，减小带隙，从而覆盖更宽的光谱区间。然而，单一的半导体光催化剂很难同时实现这两种目的。
此有两种或以上的半导体催化剂组成的异质结催化剂受到了广泛关注，成为了新的研究热点。
异质结指的就是不同禁带宽度、晶体结构或电子特性的半导体材料在原子尺度上紧密接触形成的界面结构，在结的两侧，空间电位差有利于光诱导载流子的分离，从而增强光催化活性。
在自然界中，植物光合作用是CO2和H2O通过两个光激发过程和一系列氧化还原中间产物生成O2和碳水化合物的过程，而电子传递过程形成类似于英文字母“Z”的形状，故称之为Z-型。
首先叶绿素P680在光照下变为激发态P680*，水分子在叶绿素P680上发生氧化反应生成O2，在蛋白酶的作用下，电子从P680* 转移到叶绿素P700，光生电子在光的刺激下，最终与NADP联合收割机（NADPH的氧化形式）在酶的作用下产生还原形式的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），用于还原二氧化碳合成碳水化合物。
(10.1016/j.mtener.2021.100829)
而Z-scheme异质结的灵感正是来源于绿色植物的光合作用，通过系统模仿光合作用的特性，利用两种半导体光催化剂的互补性质，有效地抑制了电子对的复合，提高了光激发载流子的分离能力，显示出比单组分光催化剂更好的光催化活性和稳定性。
1979年，Bard等人提出了Z-scheme异质结这一概念，并首先应用于液相光催化反应，常见的氧化还原电子介体如Fe3+/Fe2+和IO3-/I–。在氧光催化剂上，光产生的光生空穴氧化水分子生成氧。在氢催化剂中，光生电子还原水分子转化为氢。
电子传输链上的氧化剂/还原剂循环还原/氧化而不消耗，使水完全分解，得到分离的氢和氧。液相Z-scheme异质结虽然比传统异质结具有更强的氧化还原能力，但也存在一些缺点。
首先，应用范围窄，局限于光催化水裂解，逆反应程度高。其次，氧化还原介质吸收部分入射光，半导体的光吸收下降。因此，液相Z-scheme光催化剂很难适应复杂的光催化环境。
2006年，Tada等人提出了全固态Z-scheme异质结的概念，其光催化原理不同于液相Z-scheme光催化体系。
电荷直接通过固-固异质界面传输，缩短了传输距离，改善了光催化性能，克服了液相Z-scheme光催化剂的大部分缺点，可广泛应用于气相催化和污染物降解，逐渐取代了液相Z-scheme光催化剂。
全固态Z-scheme异质结的反应机制如下图所示，在可见光照射下，PS-I和PS-II的VB中留下光生空穴，PS-I和PS-II的CB中激发出电子。
固态电子介质促进了PS-II的CB中的电子与PS-I的VB中的空穴结合，而具有强氧化还原能力的电子和空穴则保留在两种半导体中。
( 10.1016/S1872‐2067(17)62962‐0 )
2013年，Yu等人在全固态Z-scheme异质结的基础上，首次提出了直接Z-scheme异质结的概念，与之前的全固态Z-scheme异质结相比，它们的电荷转移机制相似。
但是直接Z-scheme异质结中不含电子介体，是两个半导体直接结合在一起形成的异质结，降低了材料制备的成本以及提高了简便性，不过界面处的电荷复合几率相对常规全固态Z-scheme异质结会提高。
在这三种结构中，全固态/间接Z-scheme结构得到了广泛的认可。该结构不仅能促进载流子的分离，而且能维持较高的氧化还原能力，有效地克服了离子态Z-scheme异质结的诸多缺点。
目前，三元体系全固态Z型异质结的电子介体主要有金属、碳基材料和有机聚合物。
金属介质
贵金属（如金、银、铂、钯）通常具有大的功函数并且倾向于从半导体的导带接受电子，从而降低光激发的电子和空穴的复合速率。
许多Z型异质结催化剂都采用贵金属作为电子介体，贵金属纳米颗粒可以吸收一定波长范围内的可见光，产生表面等离子体共振（SPR）现象。这种效应类似于染料敏化，使吸收光谱红移。
Lin等人通过一种简单的沉淀法和后续的光还原成功制备出了Z型Bi4Ti3O12/Ag/Ag3PO4异质结。与纯Bi4Ti3O12和Ag3PO4相比，所制备的材料在可见光照射下显示出增强的污染物降解性能。
作为固态电子介体，Ag纳米颗粒与Bi4Ti3O12接触时形成肖特基结并达到平衡，有效地加速了电子分离。此外，沉积的银纳米粒子的LSPR效应可以增强分子氧的活化过程，产生更多的超氧自由基。
进一步研究发现，光催化性能的改善是由于表面等离子体共振效应和Z型异质结的协同作用。
事实上，贵金属在各种Z型体系中都存在同样的现象，但是由于贵金属价格昂贵，难以满足真实的需求，目前非贵金属Bi作为电子介质也被证明是贵金属的理想替代物。
Xu等人通过湿法浸渍法成功地制备了三元Cu2O/Bi/Bi2MoO6的Z型光催化剂，发现Bi纳米粒子显著增强了所制备的复合材料的磺胺嘧啶降解和Ni（II）还原性能。
实验结果表明，Bi的加入可以促进SPR效应的发生，有效地提高了光生载流子的分离效率和光催化活性。
(10.1016/j.jhazmat.2019.120953)
碳基材料介质
与贵金属一样，以还原氧化石墨烯（RGO）为代表的新型碳基材料由于其更强的电荷迁移率和更宽的光谱吸收范围而通常用作构建全固态Z-scheme异质结的电子介体。
Li等人使用RGO作为电子介体制造了一种新的Z-scheme异质结，用于增强CO2光还原性能，该催化剂的CO和CH4的产率分别是纯ZnFeO4的9.8倍和2.4倍。
RGO不仅可以增加两个半导体之间的接触面积，而且作为一种新的电子传递桥梁，显著提高了吸附能力，从而实现了光催化活性的显著提高。除了还原的氧化石墨烯，其他碳基材料也被用作电子介体来构建Z-scheme体系。
碳量子点作为一种有吸引力的零维纳米结构，具有优异的化学稳定性、低成本和电子转移/存储特性，从而导致电子和电子的有效分离。值得一提的是，CD会表现出一种叫上转换光致发光的光学现象，即材料发出的光的波长比激发源的波长短。
这种特性将使宽禁带半导体的光吸收范围显著扩展到可见光和近红外区，因此碳量子点与其他金属氧化物基材料的结合可以被认为是设计具有催化活性的光催化剂的一个很好的策略。
Wu等人通过沉淀法合成了BiVO4/CDs/CdS，氢和氧的产率分别达到1.24 mmol/h和0.61 mmol/h。催化活性的提高可归因于光激发态电子和电子的复合速率降低和载流子寿命延长。
有机聚合物介质
导电聚合物也是一种重要的电子介质，具有π-共轭键和响应可见光的特性，目前研究较深入的导电聚合物包括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚苯、聚多巴胺和聚3-己基噻吩。
聚吡咯（ppy）是一种常见的导电聚合物，具有无毒、化学稳定性高、生物相容性好、耐腐蚀等优点。重要的是，聚吡咯既可作为欧姆接触，又可作为Z型异质结体系中电荷转移的桥梁。
Jiao等人通过水热法成功制备了g-C3N4/PPy/Bi2WO6光催化剂。在合成的样品中，PPyg-C3N4和Bi2WO6之间起到电荷传输通道的作用，有效地加速了电子和空穴的分离。
(10.1016/j.materresbull.2019.02.016)
半导体催化剂因其良好的可见光催化活性而备受关注，但量子产率低、可见光利用率低、电子空穴对复合率高等限制了其广泛应用。
而Z-scheme异质结策略可以有效地分离电子和空穴，同时确保光催化剂能够保持适当的CB和VB位置，从而保持较强的氧化还原能力。因此，该策略在从环境净化到能源转换的各个领域都有着巨大的应用潜力。