贵州大学陈鹏ACS Catal.：揭示骨关节 S 型异质结构的内部电荷转移动力学以促进光催化生成过氧化氢

第一作者：刘玉辉

通讯作者：邓晓婿*，尹双凤*，陈鹏*

单位：贵州大学，中南林业科技大学

界面取向和晶格错配的随机性，往往导致内部电荷转移路径成为盲区，从而阻碍了紧凑型异质结构的合理设计。利用紧凑型的“骨关节” S 型异质结构揭示出复杂的内部电荷可直接转移到中间共晶平面进行电子-空穴重组，这有利于建立内在电场驱动电荷转移。此外，骨关节结构还能调整内部的化学和能量相互作用，从而操纵反应物的吸附模式和表面反应能量。因此，合成的催化剂显示出卓越的过氧化氢生成性能和稳定性。这为异质结构中的内部电荷转移动力学提供了一个范例，也为设计高效的异质结构提供了一个指导思想。

近日，来自贵州大学的陈鹏团队在国际知名期刊 ACS Catalysis 上发表题为“Unveiling Intrinsic Charge Transfer Dynamics in Bone-Joint S-Scheme Heterostructures To Promote Photocatalytic Hydrogen Peroxide Generation”的观点文章。该观点文章揭示出复杂的内部电荷转移机制，同时为设计高效的异质结构提供了一个指导思想。

TEM 可以清晰看出骨关节结构连接模型，通过傅里叶变换（FTT）和晶面模型的旋转变换发现， ZnIn2S4-(006) 和 Zn₂In₂S₅-(006) 旋转约 13° 可以相互匹配，并表明由于原子间距离和晶体对称性的差异，在异质结中存在骨连接。此外，利用球差电镜（HAADF-STEM）获得连续相干界面的详细信息。同步辐射 X 射线吸收近缘结构（XANES）和扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）光谱技术来解析晶体结构的差异以及局域配位环境方面的差异。

通过开尔文探针显微镜（KPFM）探究光照前后催化剂的电势变化情况来判断载流子迁移路径。随后，密度泛函理论（DFT）计算了 ZIS-2 的差分电荷密度和功函数，验证了中间晶面提供复合平台的可能。最后，瞬态吸收（TA）光谱可以证明了中间复合平台的存在。中间晶面为内部电荷复合提供了一个平台，并为 BEF 提供了强大的驱动力，避免了界面电荷的随机迁移，从而提高了载流子利用率。

在可见光下， ZIS-2 表现出优异的光催化活性，较高的量子产率（AQY）以及太阳能-化学能转换（SCC）效率，高效稳定地生产过氧化氢，为可持续生产 H₂O₂提供了潜在可能性。

原位红外（FTIR）表明 O₂ 是以“桥连接”方式吸附在催化剂表面，通过 DFT 计算发现，拥有中间晶面的 ZIS-2 不仅降低了 O2 吸附的吉布斯自由能，结构表面的电子环境也发生了很大变化，而且调控的“桥连接”方式可以实现 2e- 的 H₂O₂生成路径，可以一步直接从 O₂ 到 H₂O₂ 。综上，半相干界面调控了固有的化学和能量相互作用，从而操纵了反应物的吸附模式和表面反应能量，实现了 2e- 过程的“桥吸附”模式，一步生成 H₂O₂，从而提高了光催化 H₂O₂生成率。

Unveiling Intrinsic Charge Transfer Dynamics in Bone-JointS‑Scheme Heterostructures To Promote Photocatalytic HydrogenPeroxide Generation