氫氣作為一種清潔的可再生能源，被認為是解決能源危機和各種環境問題的關鍵。沿著這一思路，利用可再生能源的光催化和電催化產氫策略已經成為傳統化石燃料制氫的替代方法。然而，光催化的低轉換效率和電催化的高成本極大地限制了它們的大規模應用。因此，光電一體化技術的發展引起了極大的關注。

近年來，光輔助電催化(P-EC)成為一種很有前景的產氫策略，它通過直接在電催化劑中嵌入各種光活性成分，利用太陽能來補償電力消耗。光生載流子也可以增強電催化劑的本征活性，從而降低電催化反應的過電位。

到目前為止，通過結合各種光活性成分，包括貴金屬納米粒子、半導體納米材料和無金屬催化劑，對P-EC催化劑的開發做出了巨大的努力。

基于此，江蘇大學劉艷紅，姜德立和毛寶東以及蘇州大學康振輝(共同通訊)等人通過在泡沫鎳(NF)上原位生長Cu₅FeS₄量子點(QDs)制備了高效的單組分P-EC催化劑。

隨著光的引入(Cu₅FeS₄/NF-L)，極化曲線發生了明顯的偏移，說明光輔助效應對HER活性的影響。Cu₅FeS₄/NF-L在電流密度為10 mA cm^-2時，過電位為52mV，比無光時(118 mV)低66 mV。

其性能也超過了所有報道的過渡金屬硫化物電催化劑，顯示了光輔助策略在催化劑設計中的巨大潛力。

特別是在100 mA cm^-2的大電流密度下，Cu₅FeS₄/NF-L (242 mV)的HER活性超過了商業Pt/C (256 mV)，首次展示了P-EC催化劑實際應用的潛力。

Cu₅FeS₄/NF優異的P-EC HER活性可以歸因于單組分催化劑中光活性和電活性的有效結合以及原位生長的Cu₅FeS₄與NF的緊密結合。在電壓為242 mV時，Cu₅FeS₄/NF-L在光照下的電流達到100 mA cm^-2，比無光照時高41 mA cm^-2，也顯著高于Pt/C (94 mA cm^-2)，說明Cu₅FeS₄/NF能有效地整合光活性和電活性，增加反應電流。

為了進一步顯示P-EC的優勢，還分別測定了光催化、電催化和P-EC的HER法拉第效率(FE)。純光催化幾乎不產氫，而P-EC的FE比純電催化高出19%。在光照下P-EC的電流密度幾乎翻倍，P-EC比電催化產生更多的H₂，證明了P-EC在光能和電能的有效協同方面的明顯優勢。

此外，理想的HER催化劑不僅要在堿性條件下具有優異的催化活性，而且要在較寬的pH范圍內同樣具有優異的催化活性。為了檢驗光輔助策略的普遍有效性，本文在不同的電解質中測試了電催化和P-EC的極化曲線。

在pH = 3、7和11時，催化劑在光照下的過電位較無光照時分別降低了72、36和74 mV，進一步證明了光輔助策略在不同電解質中的普遍有效性。

Cu₅FeS₄/NF優異的P-EC性能歸因于Cu₅Fe_S4中誘導光電壓和活性位點的有效結合。相應的平帶電勢的變化表明，光輔助可以通過增強電荷轉移能力來促進催化反應的發生。瞬態光電壓譜表明，在Cu₅FeS₄量子點中電荷提取速率較快，電荷復合減少，從而增強了表面電荷積累。

密度泛函理論(DFT)計算表明，光生電子可以降低H^*的吸附自由能，從而促進催化劑的HER動力學。這項工作不僅首次證明了光輔助策略可以提供優于商業Pt/C的優異HER催化劑，而且加深了對單組分催化劑光電活性整合機理的理解，對P-EC在其他領域的應用具有潛在意義。

Cu₅FeS₄ quantum dots as single-component photo-assisted electrocatalyst for efficient hydrogen evolution, Journal of Materials Chemistry A, 2022, DOI: 10.1039/d2ta07852j.

https://doi.org/10.1039/D2TA07852J.