光催化分解水制取氫氣是一種直接利用太陽能生產(chǎn)清潔能源的重要方法。但是，對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體光催化材料，由于光激發(fā)的電子-空穴對(duì)的復(fù)合相對(duì)較快從而限制其實(shí)際應(yīng)用。

近年來發(fā)展的二維光催化材料為提高光催化性能開辟了一條有效途徑，這是因?yàn)檩d流子轉(zhuǎn)移到表面的距離較短，從而阻礙了光生電子與空穴的復(fù)合。

在目前所研究的二維半導(dǎo)體光催化材料中，ZnIn₂S₄?由于其具有對(duì)可見光響應(yīng)、光穩(wěn)定性以及適合于氫化反應(yīng)的能帶隙結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，引起了人們廣泛關(guān)注。由于ZnIn₂S₄?單晶胞中存在著層間相互作用力的雙層結(jié)構(gòu)，因此少數(shù)層包括單晶胞雙層的二維結(jié)構(gòu)比較容易在實(shí)驗(yàn)上獲得并被證實(shí)其在光催化性能優(yōu)于相應(yīng)的體材料。

近日，中山大學(xué)楊國偉教授研究組的杜純博士生首次在國際上報(bào)道了半晶胞單層及硫空位摻雜ZnIn₂S₄? 的光催化分解水研究。

通過時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜等實(shí)驗(yàn)分析，可以證實(shí)半晶胞單層ZnIn₂S₄?二維結(jié)構(gòu)相比于單晶胞雙層ZnIn₂S₄? 具有更長的載流子壽命從而具有更加優(yōu)異的光催化性能。

此外，他們進(jìn)一步在半晶胞ZnIn₂S₄?單層的基礎(chǔ)上引入了硫空缺進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)調(diào)控，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證實(shí)了硫空缺的引入使得半晶胞單層ZnIn₂S₄?價(jià)帶上能產(chǎn)生更多的載流子參與光催化反應(yīng)。

同時(shí)，硫空缺的存在可以捕獲光生電子，從而進(jìn)一步延長了光生電子空穴對(duì)的壽命。而電子結(jié)構(gòu)的改變也影響了其價(jià)導(dǎo)帶的變化，在光催化過程中能與犧牲劑和水反應(yīng)快速消耗空穴，從而提高電子的利用率。

所以，在雙重分離光生電子空穴對(duì)的目的下，單層硫空缺ZnIn₂S₄?可以更有效地延長載流子的壽命，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫速率的提高，可達(dá)13.478 mmol/g/h，遠(yuǎn)高于目前所報(bào)道的ZnIn₂S₄?光催化產(chǎn)氫性能。因此，該研究為設(shè)計(jì)和開發(fā)具有高的電荷轉(zhuǎn)移效率的二維光催化材料提供了新的視角。

杜純博士生為第一作者，楊國偉教授為通訊作者。

Du C, Zhang Q, Lin Z, et al. Half-unit-cell ZnIn2S4 monolayer with sulfur vacancies for photocatalytic hydrogen evolution[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2019.