中国海洋大学夏呈辉团队在国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》发表最新研究成果

中国海洋大学夏呈辉团队在国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》发表最新研究成果，通过设计出具有协同作用的铜-硫双空位Cu_2-xS/ZnCdS S型异质结构，该结构产生了强界面极化电场。该极化场与内建电场耦合，驱动了超高效率的电荷分离。通过优化的光催化剂实现了18.2 mmol g⁻¹ h⁻¹的优越产氢速率，较原始催化剂提升了10倍，且即使在无助催化剂的情况下仍能保持高活性。

光催化分解水制氢是获取清洁能源的重要途径，但传统催化剂如Cu_2-xS存在载流子复合快、表面反应动力学缓慢等问题。构建异质结虽能促进电荷分离，但常面临电荷转移与氧化还原电位之间的权衡。缺陷工程（如空位调控）可增强局部极化，但单空位带来的电场强度有限，为此，本研究提出“双空位协同极化”策略，成功构建了雪花-球状双空位异质结，显著提升了光催化析氢效率。

全面评估了材料的光催化析氢性能与电荷行为。优化后的催化剂表现出18.2 mmol·g^-1·h^-1的高活性，且循环稳定性良好。瞬态光电流与EIS测试表明其具有最快的电荷分离与传输动力学。

系统研究了材料的光学特性与能带结构。吸收光谱显示复合材料具有更宽的光响应范围。Tauc图与Mott-Schottky测试确定了组分的带隙与半导体类型，并由此构建出清晰的S型能带对齐示意图，为电荷转移机制提供了关键依据。

图4通过电子顺磁共振（EPR）图谱，捕捉到了材料在明暗交替条件下自由基生成的图像。即便在完全黑暗的环境中，Cu_2-xS/ZnCdSv异质结仍能持续产生超氧自由基（·O2⁻）和羟基自由基（·OH）。这一现象直接证实了材料内部存在一种不依赖光子的电子转移路径。其根源在于双空位（Sv与Cuv）协同所构建的强大界面极化电场，该电场能够驱动材料缺陷态中的电子自发迁移，为实现长期催化活性提供了实验证据。

基于DFT计算从原子尺度揭示了极化增强的来源。差分电荷密度图直观显示了双空位系统中最为显著的界面电荷再分布。定量计算表明其界面偶极矩高达317.2 Debye，远超单一组分，从理论上证实了双空位对界面极化的协同放大效应。

如图8所示，Cu_2-xS/ZnCdSv异质结通过双空位增强的S机制运作。硫空位与铜空位的协同作用建立了原子尺度的电场，该电场与能带弯曲衍生的内建场产生建设性耦合。这种双场协同作用从根本上增强了对界面电荷动力学的控制。它能在光照下高实现选择性载流子传输，保持最佳氧化还原电位，同时确保暗态下电荷分离不中断，从而实现持续的自由基生成。因此，这种双场机制成功解决了长期存在的难题：在实现高效电荷分离动力学的同时保持高氧化还原电位，并开创了新型非光子催化维度。

这项工作不仅建立了高效光催化剂的新型多尺度工程范式，更揭示了缺陷诱导界面极化的潜力。最重要的是，通过暗态自由基生成现象证实了非光子电荷转移过程的存在，为探索"全天候"催化功能铺平了道路。这一发现使未来催化剂的设计目标从单纯优化光捕获，转向创造能够独立于光照运作的内在极化界面。它有望彻底改变太阳能用于连续化学生产的利用方式。

夏呈辉，中国海洋大学材料科学与工程学院副教授，博士生导师。博士毕业于荷兰乌特勒支大学，先后在乌特勒支大学和法国国家科学研究中心从事博士后研究工作。聚焦于I-III-VI族纳米晶体的精准合成，激子调控及能源转化应用研究。相关研究成果在Journal of the American Chemical Society，ACS Nano， Nano letters等国际高水平期刊发表SCI论文四十余篇；获山东省泰山学者青年专家，山东省海外优青等项目资助。