近日，材料與化學學院本科生余子琪在《應用催化B⟹：環境與能源》（Applied Catalysis B: Environment and Energy）發表題為“具有超長壽命的寶石納米花狀的ZnIn2S4/CuS異質結用於光催化析氫”（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，材化學院廉孜超教授為通訊作者，材化學院為唯一完成單位📯。
氫氣因其高能量和無汙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能將水轉化為氫氣，被認為是一種有潛力的產氫技術。因此，探索高效穩定的光催化劑，對解決能源短缺和環境汙染問題具有重要意義𓀚。目前，已經存在例如核能、風能以及生物質能等氫氣轉換方式👨🏿🦲，但這些方法都伴隨著巨大的能量損耗。
對此，有研究人員提出半導體光催化分解水產氫技術👩🏽🎨，因為半導體擁有獨特的電子帶結構，可發生光生電子-空穴對可驅動氧化還原反應，可幫助分解水產氫而不產生二次汙染🏄♂️。然而，半導體光催化分解水產氫在實現過程中存在諸多困難🏌🏽，例如一些半導體光催化劑本身昂貴的造價並不適合工業生產🔭、單純半導體的光生電荷分離率低、光生載流子易復合、光生載流子壽命低等問題。
於是🏌🏻♀️，科研人員又創新地將不同材料相互連接，形成新的光催化體系的異質結，異質結可以增強光生載流子的轉移🟰，減弱其復合。通過調節半導體表面，選擇性地設計光生電荷在半導體與半導體之間或半導體與金屬之間的有效轉移👨🏽🎨👩🦱，可以有效降低光生電子和空穴的復合👳🏽♀️。余子琪所在廉孜超課題組遵循經濟與綠色的原則，利用更為廉價的硫化銅半導體與硫銦鋅半導體設計復合了光載流子有效分離的異質結。這個形狀獨特的♍️、結構規整的寶石異質結，除了表現出優異的析氫速率和反應穩定性外⚖️，還發現了異質結的高壽命對於光催化析氫過程的影響。該研究分別利用飛秒瞬態光譜技術和納秒瞬態光譜技術🥊，詳細的給出了其動力學擬合曲線，發現與一般納米顆粒相比🕷，此異質結具有超長的壽命和高的析氫率，表明超長的壽命有利於光催化析氫反應🏊。
此研究為納米光催化劑體系中光生載流子的有效轉移提供了新的思路➿，探討了如何進一步提高光催化分解水產氫效率，以及綠色經濟的光催化劑製備，幫助降低製氫成本，減少對傳統能源資源的依賴🗳，促進環境保護和可持續發展，為能源與催化領域提供更多幫助🏩。該工作得到了國家自然科學基金和上海市原創探索類基金的支持。
寶石納米花狀ZnIn2S4/CuS異質結光催化製氫示意圖(文章TOC)
光催化製氫類型II機理圖
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：材化學院
