第一作者：Kai Meng

通訊作者：余家國(guó)，張留洋

通訊單位：武漢理工大學(xué)，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)

余家國(guó)，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）教授、歐洲科學(xué)院外籍院士、國(guó)家杰出青年基金獲得者。從事半導(dǎo)體光催化材料、光催化分解水產(chǎn)氫、CO2還原、污染物降解、室內(nèi)空氣凈化、染料敏化和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、電催化、電化學(xué)能源存儲(chǔ)、吸附等方面的研究工作。

張留洋，女，中共黨員，現(xiàn)為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)材料與化學(xué)學(xué)院教授、國(guó)家優(yōu)青，湖北省高層次人才, 博士生導(dǎo)師，2022年入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。主要從事光催化和電池方向的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用。

論文速覽

太陽(yáng)能燃料合成很有趣，這種方法可以彌補(bǔ)其間歇性。然而，大多數(shù)光催化劑只能吸收紫外到可見(jiàn)光，而近紅外光仍未被利用。

本論文研究了一種新型的S型ZnO/CuInS₂異質(zhì)結(jié)光催化劑，該催化劑能夠響應(yīng)近紅外光，并在光催化過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)氧化氫（H₂O₂），同時(shí)實(shí)現(xiàn)甘油的氧化。通過(guò)ZnO和CuInS₂量子點(diǎn)之間的電荷轉(zhuǎn)移，可以將原本對(duì)近紅外光不活躍的ZnO轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S的復(fù)合體。這種強(qiáng)響應(yīng)歸因于ZnO和CuInS₂之間的電荷遷移，增加了p型半導(dǎo)體界面上的自由電荷載流子濃度，從而增強(qiáng)了局域表面等離子共振效應(yīng)和CuInS₂的近紅外響應(yīng)。

該ZnO/CuInS₂異質(zhì)結(jié)在H₂O₂生產(chǎn)和甘油氧化反應(yīng)中展現(xiàn)出卓越的性能，證實(shí)了近紅外響應(yīng)和高效電荷轉(zhuǎn)移的重要性。通過(guò)接觸電勢(shì)差、霍爾效應(yīng)測(cè)試和有限元方法計(jì)算等機(jī)理研究，直接關(guān)聯(lián)了近紅外響應(yīng)和電荷轉(zhuǎn)移。本研究的方法繞過(guò)了一般光響應(yīng)問(wèn)題，為利用整個(gè)太陽(yáng)光譜的宏偉目標(biāo)邁進(jìn)了一步。

圖文導(dǎo)讀

圖1：ZC3復(fù)合樣品的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）圖像、STEM圖像、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像。

圖2：ZnO、ZC1、ZC2、ZC3、ZC4和CuInS₂的紫外-可見(jiàn)光（UV-vis）漫反射光譜，以及不同樣品的載流子濃度、電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制示意圖。

圖3：ZnO、CuInS₂和ZC3的原位和非原位X射線(xiàn)光電子能譜（XPS），以及ZnO、CuInS₂和ZC3復(fù)合體的接觸電勢(shì)差（CPD）和界面電子轉(zhuǎn)移及內(nèi)建電場(chǎng)（IEF）形成示意圖。

圖4：ZnO和ZC3的2D偽彩瞬態(tài)吸收（TA）光譜，以及在特定時(shí)間延遲下的TA光譜，和在特定波長(zhǎng)下TA動(dòng)力學(xué)的探測(cè)結(jié)果。

圖5：CuInS₂和ZC3在800-1300 nm近紅外區(qū)域的TA光譜和動(dòng)力學(xué)，以及引入甲醇后對(duì)CuInS₂ TA信號(hào)的影響。

圖6：ZnO、ZCx和CuInS₂在光照下H₂O₂產(chǎn)生的性能，以及甘油光催化轉(zhuǎn)化率和ZC3在光照下H₂O₂產(chǎn)生與甘油氧化性能。

圖7：ZC3在吸附H₂O和甘油蒸汽后的原位漫反射紅外傅里葉變換光譜（DRIFTS），以及在不同溶液中ZC3的電子順磁共振（EPR）譜。

總結(jié)展望

本研究通過(guò)構(gòu)建ZnO和CuInS₂量子點(diǎn)之間的異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)近紅外光的有效響應(yīng)，并顯著提高了光催化劑在H₂O₂生產(chǎn)和甘油氧化反應(yīng)中的性能。

通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制的深入研究，本工作不僅為設(shè)計(jì)新型高效光催化劑提供了新思路，也為太陽(yáng)能燃料合成技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新途徑。期望本研究能夠激發(fā)未來(lái)光催化領(lǐng)域的研究，通過(guò)強(qiáng)化近紅外響應(yīng)和電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，實(shí)現(xiàn)全太陽(yáng)光譜的利用。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Plasmonic Near-infrared-response S-scheme ZnO/CuInS₂ Photocatalyst for H₂O₂ Production Coupled with Glycerin Oxidation

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202406460