武汉理工大学苏宝连课题组：慢光子耦合异质结加速光催化析氢

半导体光催化制氢作为一种理想的绿色清洁技术，可在常温常压下直接将太阳能转化为氢能，受到了研究者的广泛关注。光催化剂作为光催化技术的核心，直接影响整个反应的光催化效率，因此对光催化剂的开发、设计及改性成为光催化领域的研究方向之一。

研究表明，等级孔光催化材料结合了不同尺度孔互连的高孔隙率及比表面积高等特点，在电子和离子传输方面展现出显著的结构优势。特别是，三维有序大孔（3DOM）结构作为一种特殊的大孔-介孔等级孔结构，其多重散射效果不仅有利于提高入射光的传输深度，延长光传播距离；同时光子晶体所特有的“慢光子”效应能够延长光子驻留时间，显著提高催化剂对光子的利用效率，展示出较强的“光捕获”特性从而吸引了诸多研究者的目光。

尽管，3DOM结构已被证明能极大地提高光的吸收和利用率。但是，在复合反蛋白石光子晶体中，“慢光子”效应相关的研究仍然缺少理论和实验依据。基于此，武汉理工大学苏宝连院士和李昱教授研究团队在前期研究基础上，以CdS@ZnO核壳结构的反蛋白石复合光子晶体材料（CdS@ZnO-csIO）为模型，首次从理论模拟及实验两方面证实了反蛋白石复合光子晶体结构“慢光子”效应的存在能有效提升光子的利用效率，并且通过“慢光子”效应耦合异质结的策略，极大地促进了光生载流子分离，从而提升了CdS@ZnO反蛋白石复合材料的光催化析氢效率。

团队采用FDTD方法对CdS@ZnO-csIO反蛋白石复合光子晶体的反射光谱进行理论模拟及反射光谱实验测试。通过模拟计算所得的复合光子晶体的光子禁带（PBG）反射峰随着大孔尺寸的增加，反射峰向更长的波长移动，且CdS@ZnO-csIO-230红边与CdS@ZnO-csIO-290蓝边两者PBG反射峰的肩部分别与CdS的电子带边缘重叠（图1d中的消光系数k光谱，蓝色虚线），为“慢光子”效应的存在提供了充分的证据。同时，反射光谱实验测试结果与理论计算结果一致（图1f），即CdS@ZnO-csIO-230红边位置与CdS@ZnO-csIO-290蓝边位置与CdS吸收峰重叠，此时均可实现“慢光子”效应的发生，提升其光催化产氢性能。

 图1

为验证“慢光子”效应对光催化活性的增强作用，测试了CdS@ZnO-csIO反蛋白石复合光子晶体在可见光及模拟太阳光条件下的光催化产氢活性。在模拟太阳光下，CdS@ZnOcsIO-230（“慢光子”效应发生在红边）和CdS@ZnO-csIO-290（“慢光子”效应发生在蓝边）的制氢速率分别是CdS@ZnO-csIO-3M的∼137%和∼167%，且与可见光下的速率增强非常相似（图2）。也就是说，“慢光子”效应发生在红边位置和蓝边位置均有利于提高光催化剂的光催化活性。同时，CdS@ZnO-csIO-290在可见光和模拟太阳光照射下析氢速率分别高达17.6 mmol g^-1 h^-1和48.7 mmol g^-1 h^-1，较CdS@ZnO-csIO-440（无“慢光子”效应发生）分别提升了~180%和~351%（空心球表示在可见光条件，实心球表示在模拟太阳光条件）。从而证实了“慢光子”效应在光催化反应过程中起着非常重要的作用。

图2

综上所述，本研究首次结合理论模拟及实验两方面证实了反蛋白石复合光子晶体结构“慢光子”效应的存在能极大地提升光催化性能。研究结果还发现，“慢光子”效应发生在PBG蓝边情况下，CdS@ZnO-csIO催化剂与高能入射光的协同作用展示出比红边“慢光子”效应更高的催化活性，与团队前期的相关研究结果一致（Nano Energy, 2018, 47, 266–274）。本工作中，刘婧、郭印毫和胡执一为共同第一作者，李昱教授和苏宝连院士为通讯作者，武汉理工大学为第一通讯单位，以research article的形式发表在CCS Chemistry，已在官网“Just Published”栏目上线。

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