邓崇海/董强Nano Res.：多维中空复合纳米p-n结可控构筑及其光催化产氢性能研究

能源与环境问题困扰着人类社会的可持续发展，是当今社会面临的两大难题。当前，开发更加持久、更加环保的可再生能源是人类社会可持续发展必须要解决的课题。氢能已被视为21世纪最具有发展潜力的清洁能源，是一种绿色、高效的二次能源，具有热值高、储量丰富、来源多样、应用广泛等特点。基于大自然绿色植物的光合作用原理，半导体光催化剂的光催化分解水作为人工“光合作用”，可利用太阳能光催化分解水制氢，实现太阳能对氢能的转化，氢燃烧后又转化水，实现清洁能源的持续转化，是解决全球面临的能源和环境问题潜在有效的办法之一。

合肥学院邓崇海教授、董强教授和中科院过程所韩永生研究员合作，通过简捷微波辅助液相化学合成技术将零维硫化镉（CdS）纳米晶生长在三维分级结构的由多孔纳米片组装而成的氧化镍（NiO）中空微球上，开发了一种高效的太阳光光催化分解水制氢的复合光催化纳米结构材料（如图1，2）。这种光催化结构材料具有以下优点：（1）零维CdS纳米晶具有较大的比表面积和原子经济性，有较多的活性位点吸收太阳光产生大量的光生载流子，而且载流子自由程短，更容易迁移到表面，有效降低了光生电子-空穴的复合几率；（2）通过三维中空分级结构的NiO作为共催化剂担载CdS纳米晶，有效解决了CdS纳米晶在液相合成中存在严重的团聚问题，同时多孔结构还有利于太阳光的传输和反应物质的输运，从而提高太阳光利用率和传质速率，加速光催化反应速率；（3）在半导体n-CdS和p-NiO界面处构筑成p-n结，在p-n结内电场作用下，引起费米能级达热力学平衡，不仅可以进一步促进光生载流子的转移和分离，减小复合几率而延长载流子寿命，同时通过CdS价带上光生空穴向NiO价带的转移，大大降低了CdS自身严重的光腐蚀，从而提升了复合光催化剂的使用寿命。光催化分解水的系统实验表明，最佳负载比的复合纳米催化剂在模拟太阳光的光解水产氢速率为1.77 mmol•g^-1•h^-1，是纯相硫化镉晶体的16.2倍，4次循环实验的产氢效率基本保持稳定，体现了显著的结构增强的太阳光光解水产氢性能。

图1多维中空复合纳米p-n结可控构筑及其光催化分解水产氢作用机理

图2中空多孔分级结构的NiO微球的（a, b）FESEM和（c）TEM照片，多维中空 CdS/NiO复合纳米 p-n结的（d, e）FESEM，（f）TEM，（g）HRTEM，（h）STEM和（i）元素扫描照片

邓崇海，合肥学院能源材料与化工学院教授。博士毕业于中国科学技术大学微尺度国家重点实验室，获得纳米化学博士学位。主要从事无机纳米功能材料的结构调控、晶体生长机制及光催化性能研究，立足于功能材料的中空、多孔、复合微纳米结构的定向设计与构造，着眼于解决结构纳米材料在催化、环境与能源等领域的科学问题。已发表SCI/EI检索论文30余篇，授权国家发明专利10余件。获得2019年安徽省科学技术奖自然科学奖三等奖（证书编号：Z-2019-3-024-R1）；指导大学生获得2021年第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛铜奖。

Chonghai Deng^*, Fan Ye, Tao Wang, Xiaohui Ling, Lulu Peng, Hong Yu, Kangzhe Ding, Hanmei Hu, Qiang Dong^*, Huirong Le & Yongsheng Han^*. Developing hierarchical CdS/NiO hollow heterogeneous architectures for boosting photocatalytic hydrogen generation. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3960-4.

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