近日，材料與化學(xué)學(xué)院本科生余子琪在《應(yīng)用催化B：環(huán)境與能源》（Applied Catalysis B: Environment and Energy）發(fā)表題為“具有超長(zhǎng)壽命的寶石納米花狀的ZnIn2S4/CuS異質(zhì)結(jié)用于光催化析氫”（Gemstone nanoflower-shaped ZnIn2S4/CuS heterojunction with ultralong lifetime of photoinduced carriers for photocatalytic hydrogen evolution）的研究成果，余子琪為第一作者，材化學(xué)院廉孜超教授為通訊作者，材化學(xué)院為唯一完成單位。

氫氣因其高能量和無污染的燃燒而被視為理想能源，使用合適的光催化劑利用太陽(yáng)能將水轉(zhuǎn)化為氫氣，被認(rèn)為是一種有潛力的產(chǎn)氫技術(shù)。因此，探索高效穩(wěn)定的光催化劑，對(duì)解決能源短缺和環(huán)境污染問題具有重要意義。目前，已經(jīng)存在例如核能、風(fēng)能以及生物質(zhì)能等氫氣轉(zhuǎn)換方式，但這些方法都伴隨著巨大的能量損耗。

對(duì)此，有研究人員提出半導(dǎo)體光催化分解水產(chǎn)氫技術(shù)，因?yàn)?/span>半導(dǎo)體擁有獨(dú)特的電子帶結(jié)構(gòu)，可發(fā)生光生電子-空穴對(duì)可驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)，可幫助分解水產(chǎn)氫而不產(chǎn)生二次污染。然而，半導(dǎo)體光催化分解水產(chǎn)氫在實(shí)現(xiàn)過程中存在諸多困難，例如一些半導(dǎo)體光催化劑本身昂貴的造價(jià)并不適合工業(yè)生產(chǎn)、單純半導(dǎo)體的光生電荷分離率低、光生載流子易復(fù)合、光生載流子壽命低等問題。

于是，科研人員又創(chuàng)新地將不同材料相互連接，形成新的光催化體系的異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)可以增強(qiáng)光生載流子的轉(zhuǎn)移，減弱其復(fù)合。通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體表面，選擇性地設(shè)計(jì)光生電荷在半導(dǎo)體與半導(dǎo)體之間或半導(dǎo)體與金屬之間的有效轉(zhuǎn)移，可以有效降低光生電子和空穴的復(fù)合。余子琪所在廉孜超課題組遵循經(jīng)濟(jì)與綠色的原則，利用更為廉價(jià)的硫化銅半導(dǎo)體與硫銦鋅半導(dǎo)體設(shè)計(jì)復(fù)合了光載流子有效分離的異質(zhì)結(jié)。這個(gè)形狀獨(dú)特的、結(jié)構(gòu)規(guī)整的寶石異質(zhì)結(jié)，除了表現(xiàn)出優(yōu)異的析氫速率和反應(yīng)穩(wěn)定性外，還發(fā)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)的高壽命對(duì)于光催化析氫過程的影響。該研究分別利用飛秒瞬態(tài)光譜技術(shù)和納秒瞬態(tài)光譜技術(shù)，詳細(xì)的給出了其動(dòng)力學(xué)擬合曲線，發(fā)現(xiàn)與一般納米顆粒相比，此異質(zhì)結(jié)具有超長(zhǎng)的壽命和高的析氫率，表明超長(zhǎng)的壽命有利于光催化析氫反應(yīng)。

此研究為納米光催化劑體系中光生載流子的有效轉(zhuǎn)移提供了新的思路，探討了如何進(jìn)一步提高光催化分解水產(chǎn)氫效率，以及綠色經(jīng)濟(jì)的光催化劑制備，幫助降低制氫成本，減少對(duì)傳統(tǒng)能源資源的依賴，促進(jìn)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，為能源與催化領(lǐng)域提供更多幫助。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和上海市原創(chuàng)探索類基金的支持。 

寶石納米花狀ZnIn2S4/CuS異質(zhì)結(jié)光催化制氫示意圖(文章TOC)

光催化制氫類型II機(jī)理圖

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337324000134

課題組鏈接：https://www.x-mol.com/groups/Lian_Zichao 

供稿：材化學(xué)院