高效光催化材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)是采用光催化技術(shù)合理解決解決能源和環(huán)境相關(guān)問題的關(guān)鍵。In₂S₃具有帶隙合適、制備容易、毒性低等特點(diǎn)，已被用作污染物降解、析氫和二氧化碳還原的光催化劑。然而，光生載流子的快速復(fù)合和嚴(yán)重的光腐蝕限制了其在光催化中的大規(guī)模應(yīng)用。

基于此，吉林大學(xué)施展課題組通過一鍋法成功制備出具有原子p-n同質(zhì)結(jié)的富銦空位(V_In) In₂S₃光催化劑，其具有顯著提高的光催化活性。

研究人員通過正電子湮沒光譜和電子順磁共振揭示了制備的光催化劑中V_In的存在；莫特-肖特基圖和表面光電壓譜證明富含V_In In₂S₃可以形成原子p-n同質(zhì)結(jié)以及結(jié)合光電化學(xué)測試驗(yàn)證了p-n同質(zhì)結(jié)可以有效分離載流子。V_In將載流子傳輸活化能(CTAE)從V_In-poor In₂S₃的0.64 eV 降低到V_In-rich In₂S₃的0.44 eV，獨(dú)特的缺陷結(jié)構(gòu)賦予In₂S₃多功能光催化性能，即在模擬陽光下能夠有效產(chǎn)氫(872.7 μmol g^-1 h^-1)、甲基橙的降解(20 min, 97%)和重金屬離子Cr(VI)的還原(30 min, 98%)，優(yōu)于現(xiàn)有的多種基于In₂S₃的復(fù)合催化劑。

此外，研究人員提出了光催化機(jī)理來揭示反應(yīng)過程。光激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴，電子從價(jià)帶(VB)遷移到導(dǎo)帶(CB)，在VB中留下空穴；光生電子從p型半導(dǎo)體(高CB邊緣)轉(zhuǎn)移到n型半導(dǎo)體(低CB邊緣)，并且n型半導(dǎo)體中的光生空穴向具有高VB邊緣的p型移動。并且，p-n同質(zhì)結(jié)中n型和p型部分之間形成的內(nèi)部電場很小，這加速了載流子遷移并抑制了電荷復(fù)合。最后，光生電子轉(zhuǎn)移到催化劑表面參與氧化還原反應(yīng)，最終MO被降解，Cr(VI)被還原為Cr(III)以及H₂O被還原為H₂。

Rich Indium-Vacancies In₂S₃ with Atomic p-n Homojunction for Boosting Photocatalytic Multifunctional Properties. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202201556