近日，我校材料與化學(xué)學(xué)院廉孜超特聘教授等在國際化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上發(fā)表了題為“紅外光誘導(dǎo)異常缺陷參與的等離子體熱電子轉(zhuǎn)移增強光催化制氫”（Infrared Light-induced Anomalous Defect-mediated Plasmonic Hot Electron Transfer for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution）的重要成果，廉孜超特聘教授為第一作者，上海電力大學(xué)校長李和興教授、美國亞利桑那大學(xué)王衛(wèi)教授、材化學(xué)院李貴生教授和廉孜超特聘教授為通訊作者。上海理工大學(xué)為第一通訊單位。
高效利用可持續(xù)的太陽能是能源轉(zhuǎn)型和生產(chǎn)中備受關(guān)注的領(lǐng)域，其中，紅外（IR）區(qū)域占太陽能的一半以上，被認為是太陽能轉(zhuǎn)換的重要能源，且很大一部分的紅外區(qū)域尚未被利用。因此，廉孜超教授團隊圍繞紅外的能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域展開研究，設(shè)計出有效的紅外光催化系統(tǒng)，并合成了一種新的核殼結(jié)構(gòu)（CSNCs）可實現(xiàn)紅外光催化分解水為氫氣能源，生產(chǎn)氫燃料提供了一種新的途徑，為石油、化工、電子、冶金、航天、輕工業(yè)等領(lǐng)域提供高效利用的氫能源。
在現(xiàn)有研究中，科研工作者們發(fā)現(xiàn)光催化劑表現(xiàn)出快速的光生載流子復(fù)合速率、禁帶寬度窄的半導(dǎo)體的毒性高和光生載流子轉(zhuǎn)移機制不清楚等瓶頸，極大限制了太陽能-燃料轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實際應(yīng)用。廉孜超教授團隊創(chuàng)新地發(fā)現(xiàn)，通過硫化銅（CuS）和其他半導(dǎo)體受體相寬帶隙半導(dǎo)體硫化鋅（ZnS）的構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米晶體（HNCs），在紅外光（大于800 nm）照射下，硫化銅會被激發(fā)產(chǎn)生等離激元電子和空穴，熱電子轉(zhuǎn)移到硫化鋅的硫空位上用于光催化制氫，而光生空穴轉(zhuǎn)移不到硫化鋅的價帶位置。團隊研究合成了CuS@ZnS核殼結(jié)構(gòu)，在紅外光區(qū)域具有獨特局域表面等離子體共振特性的納米晶，在光催化產(chǎn)氫中表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性能。與傳統(tǒng)的肖特基能壘界面處的直接等離子體電子或空穴轉(zhuǎn)移途徑相比，具有缺陷位參與的熱電子轉(zhuǎn)移的CuS@ZnS核殼結(jié)構(gòu)顯示出獨特的電荷轉(zhuǎn)移機制。通過飛秒瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)和電子順磁共振測量，闡明了“等離子體誘導(dǎo)缺陷參與的載流子轉(zhuǎn)移”（PIDCT）的機理。同時，熱電子轉(zhuǎn)移到缺陷位的等離子體誘導(dǎo)缺陷參與的載流子轉(zhuǎn)移路徑具有高的量子效率（29.2%）使得CuS@ZnS的析氫活性（HER）速率達到26.9 μmol h?1 g?1，顯著高于純的CuS（0.4 μmol h?1 g?1）和CuS/ZnS核/衛(wèi)星（15.6 μmol h–1 g?1）（如圖2所示）。此外，CuS@ZnS在近紅外光照射下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。飛秒瞬態(tài)吸收光譜和電子順磁共振測量為支持等離子體誘導(dǎo)缺陷參與的載流子轉(zhuǎn)移機制提供了直接證據(jù)。此研究為有效探測太陽光提供一個新的方向，通過實際應(yīng)用中的缺陷工程來實現(xiàn)光燃料轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
雜志封面截圖
紅外光誘導(dǎo)異常缺陷參與的等離子體熱載流子轉(zhuǎn)移（PIDCT）系統(tǒng)
論文原理圖
【相關(guān)】
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c03990
課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/Lian_Zichao
供稿：材化學(xué)院
