獲取清潔的氫能替代傳統化石燃料是解決能源危機、環境污染等世界性難題的有效途徑。因此，如何通過催化劑設計高效地獲取氫能一直是當代科研工作者的工作重心和研究熱點。

研究表明良好的電催化劑需具備以下特點：

(1) 價格低廉，不包含貴金屬元素(如Pt)；

(2) 更多的活性位點，擴大催化劑體表比;?

(3) 更高的催化活性，合適的吉布斯自由能；

(4) 高效的載流子遷移，良好的金屬性。

?然而，目前研究思路主要集中在半導體納米結構制備或引入空位、摻雜等通過微結構調控方法增加活性位點數量、提高材料的催化活性，但是這種設計會不可避免的增加催化劑制備成本。眾所周知，任何材料性能突破完全取決于材料本身固有的物理特性。因此，從材料電子結構改造（例如，半導體—金屬相變）這個源頭入手，將成為一種全新的研究思路。

基于以上考慮，南京大學物理學院吳興龍教授課題組通過特定波長近紅外光在超薄FeS納米片中激發大量光生載流子，通過電聲子耦合作用降低該體系中半導體—金屬相變的勢壘，從而實現載流子高效遷移和催化活性巨大提升。

圖1. 半導體—金屬相變物理過程機制圖及原位拉曼表征

本研究工作首次在廉價的FeS納米片體系中實現半導體—金屬相變并且創造性地用于提高電催化性能，對材料電子結構調控和新型催化劑設計提供了一種全新的認識和研究思路。

圖2. 光電探測和紅外成像證明半導體—金屬相變過程

研究團隊發現超薄的FeS相變溫度大概在400K左右，會因為Fe原子的位移從扭曲的P2c相轉變成高度對稱的P63/mmc相，從而實現半導體—金屬相變。通過原位拉曼技術監測Eg模式位移發現，光生載流子的大量注入會使得相變溫度降低到~323K。理論的計算和光電探測表明紅外光引入會通過電聲子相互作用明顯降低相變勢壘。

圖3. 電催化性能測試

通過DFT理論計算發現，金屬體相FeS體系表面裸露的Fe1和Fe2位點具有更高的催化活性。電催化性能測試發現半導體—金屬相變使得該體系具有更高的載流子遷移和好的親水性，明顯的提升了電催化效率。

理論計算和實驗分析都表明該催化劑遵循Volmer-Heyrovsky反應機制，而Heyrovsky為限速步驟。

該工作以“Photoinduced semiconductor-metal transition in ultrathin troilite FeS nanosheets to trigger efficient hydrogen evolution” 為題于2019年1月23日發表在Nature Communications 10, 399 (2019).?

南京大學物理學院博士生周鋼、曉莊學院副教授單云、湖南大學王龍祿、江蘇科技大學胡友友為該論文共同第一作者，吳興龍教授與劉力哲副教授為該論文共同通訊作者。

Zhou G, Shan Y, Wang L, et al. Photoinduced semiconductor-metal transition in ultrathin troilite FeS nanosheets to trigger efficient hydrogen evolution[J]. Nature communications, 2019, 10(1): 399.