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文 章 信 息
局域表面等离子体共振效应增强ZnIn2S4/非晶MoO3-x纳米点Z型异质结高效光催化析氢
通讯作者：俞和胜*
单位：中国矿业大学，化工学院
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研 究 背 景
化石燃料的大量消耗和燃烧对全球环境和人类健康造成了严重危害。太阳能驱动的光催化技术被认为是解决当前能源短缺和环境污染问题的有效手段之一。开发高效的光催化材料是推动光催化技术发展及应用的关键所在。近年来，ZnIn2S4因其合适的带隙结构和对可见光的强烈响应而被认为是光催化析氢的有利候选者。然而，由于其较差的光捕获能力和光诱导电子-空穴对的快速复合，原始ZnIn2S4通常表现出令人不满意的光催化析氢气效率。值得注意的是，局域表面等离子体共振（LSPR）效应和异质结的构建已被证明分别是增加光吸收范围和抑制电子-空穴复合的有效手段。然而，大多数LSPR研究都集中在研究贵金属-半导体杂化等离子体光催化剂上。由于贵金属纳米粒子的高成本和在光照下易于分解，因此很难在实践中使用。在非贵金属基等离子体材料中，非化学计量比氧化钼（MoO3-x）因其低廉的价格和环保性而脱颖而出。并且减小MoO3-x到纳米点尺寸可以提高其利用率，并增加其与基底材料的相互作用。因此，受LSPR效应和异质结策略的启发，我们将MoO3-x纳米点与ZnIn2S4相结合，构建了一种具有局域表面等离子体共振效应的ZnIn2S4/MoO3-xZ型异质结。
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文 章 简 介
近日，中国矿业大学俞和胜教授等人，在国际知名期刊 Journal of Materials Chemistry A上发表题为“A localized surface plasmon resonance effect boosts photocatalytic hydrogen evolution of ZnIn2S4/amorphous MoO3−x nanodot Z-scheme heterojunctions”的研究成果。文章通过超声化学法和水热法成功制备了具有LSPR效应的ZnIn2S4/MoO3-x Z型异质结，并将其首次应用于光催化析氢。UV-Vis-NIR DRS、PL、EIS和光电流密度测试的结果证明，引入MoO3-x纳米点可以拓宽光吸收范围，促进光生电子-空穴对的分离。此外，红外热成像测量、EPR测试、XPS VB分析和DFT计算验证了ZnIn2S4/MoO3-x复合材料中Z型异质结的形成。得益于LSPR效应和Z型异质结的协同作用，在模拟太阳光下，最佳ZnIn2S4/MoO3-x复合材料的析氢速率高达11.08 mmol·g-1·h-1，是ZIS的8.3倍，在420 nm处的表观量子效率（AQE）为6.14%。最后，循环实验结果表明，ZnIn2S4/MoO3-x在5次循环测试后保持了较高的析氢速率，表明其化学稳定性强，具有良好的工业潜力。
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本 文 要 点
要点一：ZnIn2S4/MoO3-x 的合成与结构分析
Figure 1. Schematic of the preparation of ZnIn2S4/MoO3-x composite catalysts.
Figure 2. (a) XRD patterns, (b) FTIR spectra and (c) Raman spectra of different samples.
Figure 3. (a-b) HRTEM images of MoO3-x nanodots at different magnifications; Inset in the upper right of Figure 3a: SAED image of MoO3-x nanodots; Inset in the lower right of Figure 3a: Corresponding particle size distribution of MoO3-x nanodots. HRTEM images of (c) ZIS and (d) ZM10.
本文中，作者采用超声化学法和水热法成功制备了具有LSPR效应的ZnIn2S4/MoO3-x Z型异质结，XRD以及TEM表征证实了MoO3-x纳米点的非晶性质，FTIR和Raman测试，证实了ZnIn2S4/MoO3-x复合材料中存在Mo-S键。
要点二：ZnIn2S4/MoO3-x的光热性能测试
Figure 4. (a) UV-Vis-NIR DRS spectra; (b) the band gaps of ZIS and ZMx samples; (c) XPS valence band spectra of ZIS and MoO3-x nanodots; (d) PL spectra of MoO3-x nanodots, ZIS and ZM10 (λex = 380 nm).
Figure 5. (a) Photothermal response and (b) Infrared thermal images of ZIS and ZMx samples.
紫外-可见-近红外吸收光谱显示，由于MoO3-x纳米点的LSPR效应，ZnIn2S4/MoO3-x 光催化剂的光吸收范围得到极大拓宽，同时带隙也得到了缩小。此外，在808 nm近红外光照射下3分半内ZM10样品温度可达154.9 ℃，表现出优异的光热性能。
要点三：ZnIn2S4/MoO3-x优异的析氢性能
Figure 6. (a) Time-series photocatalytic H2 evolution curves of samples; (b) H2 evolution rates of samples within 3 h; (c) cycle stability experiments of ZM10; (d) XRD patterns of ZM10 before and after reaction.
使用100 mL（含10% TEOA作为牺牲剂）的水溶液，在不使用贵金属助催化剂的情况下，评估了催化剂在模拟太阳照射下的光催化析氢活性。MoO3-x 纳米点不产氢，原始ZIS的析氢速率为1.34 mmol·g-1·h-1。最佳ZnIn2S4/MoO3-x光催化的析氢速率高达11.08 mmol·g-1·h-1，是原ZIS的8.3倍。此外，光催化循环实验和反应后催化剂的XRD等测试证实了ZnIn2S4/MoO3-x优异的光催化稳定性。
要点四：ZnIn2S4/MoO3-x析氢机理研究
Figure 7. The structures of (a) amorphous Mo3O8 and (b) the optimized ZM; (c) the charge density difference of the optimized ZM structure (yellow represents charge accumulation and blue represents charge depletion).
Figure 8. The DMPO-EPR spectra of (a) DMPO-HO· and (b) DMPO-O2·- for ZIS and ZM10; (c) Schematic of mechanism for photocatalytic H2 evolution of ZM10.
DFT计算进一步确认了Mo-S键的存在。基于能带结构分析、XPS VB测量、DFT计算和EPR测试，证实了ZnIn2S4/MoO3-x 复合材料中Z型异质结的形成。
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文 章 链 接
“A localized surface plasmon resonance effect boosts photocatalytic hydrogen evolution of ZnIn2S4/amorphous MoO3−x nanodot Z-scheme heterojunctions”
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d4ta08621j
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通 讯 作 者 简 介
俞和胜教授简介：2013年6月获得加拿大滑铁卢大学博士学位。2014年获加拿大国际博士后最高荣誉——加拿大国家自然科学基金委员会工业博士后基金（NSERC IRDF）。2017年8月以破格教授身份作为引进人才入职中国矿业大学化工学院。2020年受聘江苏特聘教授，并受邀任江苏省侨联特聘专家、国家自然科学基金、江西省科技厅科技人才项目等评审专家。主要从事人工智能、能源资源清洁利用、空气污染控制，及废水处理方面的研究。主持“江苏特聘教授”项目、国家自然科学基金面上项目、江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目、江苏省“双创博士”项目、徐州市重点研发项目、校企合作项目等创新创业及人才项目。在Environmental Science & Technology、Environment International、AIChE Journal、Carbon、Chemical Engineering Journal、Small、Journal of Materials Chemistry A 等期刊上以第一作者或通讯作者发表SCI论文50余篇；影响因子10+以上的论文18篇。发表于《清华大学学报（自然科学版）》关于“双碳战略”的文章被《科技日报》推介。发表于AIChE Journal期刊上的关于氨基CO2捕集的论文被遴选为该刊物2016年度8篇“Editor’s Choice”文章之一。获The 16th International Green Energy Conference (IGEC-XVI) and The 5th International Conference on Energy and AI (ICEAI-V) and Symposium on Chemical Engineering and AI 最佳论文奖及最佳口头报告奖。授权发明专利7件，软件著作权5件。担任著名国际会议执行主席1次；分会主席3次，做国际会议特邀报告3次。获江苏省高等学校科学技术研究成果奖三等奖（R1）。
课题组网站：https://faculty.cumt.edu.cn/heshengyu/zh_CN/index.htm；https://www.x-mol.com/groups/hesheng_yu
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