黄飞课题组CEJ: 动态的载流子传输路径显著增强了硫属光催化剂的抗光腐蚀能力及耐久性

第一作者：黄飞，李臻

通讯作者：黄飞副研究员，闫爱华副研究员

通讯单位：中国矿业大学碳中和研究院

论文DOI：10.1016/j.cej.2023.145430

通过光催化水分解生产氢气，对于彻底改变当前因为过度使用化石燃料而引起的能源和环境问题起着至关重要的作用。然而，开发可见光响应、稳定、高效和低成本的半导体仍然是一个挑战。近年来，金属硫化物由于其特殊的光学、化学和催化性能而得到了广泛的研究。其中，硫化锌铟（ZnIn₂S₄，ZIS）因其良好匹配的带隙（∼2.4 eV）、可响应可见光、以及合适的导带位置（电位低于H⁺/H₂的还原电位）而被认为是最有吸引力和最有前途的光催化剂之一。不幸的是，由于严重的光生载流子复合和低的量子效率，其光催化性能仍然无法令人满意。更关键的是其固有的严重光腐蚀缺点。一旦发生光腐蚀，通常会导致制氢效率和稳定性逐渐恶化。本质上，光腐蚀是由光生空穴攻击Zn−S键产生的。因此，硫离子(S²⁻)极易被氧化并伴随着锌离子(Zn²⁺)和铟离子(In³⁺)的浸出。因此，及时转移、隔离或湮灭光生空穴是十分关键的。

通常，光腐蚀发生在固/溶液反应界面，因此在ZIS表面涂覆保护层认为是合理且成功的策略。因为这种物理的方式可以减少与溶液直接接触以避免对Zn−S键的攻击。然而，由于ZIS表面的保护层也阻碍了光的利用，限制了载流子的传输，掩盖了活性位点，最终减弱了产氢性能，同时保护层的厚度也难以合理控制。此外，通过添加牺牲剂消耗光生空穴也能在一定程度上减轻光腐蚀。然而，这些牺牲剂也导致碳质副产物的排放和高成本。因此，探索更有效的策略来提高ZIS的光活性和抗光腐蚀性能仍有必要。

近日，来自中国矿业大学的黄飞副研究员和闫爱华副研究员在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Excellent anti-photocorrosion and hydrogen evolution activity of ZnIn₂S₄-based photocatalysts: In-situ design of photogenerated charge dynamics”的研究文章。此工作利用了光腐蚀的特点，原位制备了三元Ni(OH)₂/NiIn₂S₄/ZnIn₂S₄复合材料