近日，材料与化学学院本科生余子琪在《应用催化B：环境与能源》（Applied Catalysis B: Environment and Energy）发表题为“具有超长寿命的宝石纳米花状的ZnIn2S4/CuS异质结用于光催化析氢”（Gemstone nanoflower-shaped ZnIn2S4/CuS heterojunction with ultralong lifetime of photoinduced carriers for photocatalytic hydrogen evolution）的研究成果，余子琪为第一作者，材化学院廉孜超教授为通讯作者，材化学院为唯一完成单位。
氢气因其高能量和无污染的燃烧而被视为理想能源，使用合适的光催化剂利用太阳能将水转化为氢气，被认为是一种有潜力的产氢技术。因此，探索高效稳定的光催化剂，对解决能源短缺和环境污染问题具有重要意义。目前，已经存在例如核能、风能以及生物质能等氢气转换方式，但这些方法都伴随着巨大的能量损耗。
对此，有研究人员提出半导体光催化分解水产氢技术，因为半导体拥有独特的电子带结构，可发生光生电子-空穴对可驱动氧化还原反应，可帮助分解水产氢而不产生二次污染。然而，半导体光催化分解水产氢在实现过程中存在诸多困难，例如一些半导体光催化剂本身昂贵的造价并不适合工业生产、单纯半导体的光生电荷分离率低、光生载流子易复合、光生载流子寿命低等问题。
于是，科研人员又创新地将不同材料相互连接，形成新的光催化体系的异质结，异质结可以增强光生载流子的转移，减弱其复合。通过调节半导体表面，选择性地设计光生电荷在半导体与半导体之间或半导体与金属之间的有效转移，可以有效降低光生电子和空穴的复合。余子琪所在廉孜超课题组遵循经济与绿色的原则，利用更为廉价的硫化铜半导体与硫铟锌半导体设计复合了光载流子有效分离的异质结。这个形状独特的、结构规整的宝石异质结，除了表现出优异的析氢速率和反应稳定性外，还发现了异质结的高寿命对于光催化析氢过程的影响。该研究分别利用飞秒瞬态光谱技术和纳秒瞬态光谱技术，详细的给出了其动力学拟合曲线，发现与一般纳米颗粒相比，此异质结具有超长的寿命和高的析氢率，表明超长的寿命有利于光催化析氢反应。
此研究为纳米光催化剂体系中光生载流子的有效转移提供了新的思路，探讨了如何进一步提高光催化分解水产氢效率，以及绿色经济的光催化剂制备，帮助降低制氢成本，减少对传统能源资源的依赖，促进环境保护和可持续发展，为能源与催化领域提供更多帮助。该工作得到了国家自然科学基金和上海市原创探索类基金的支持。
宝石纳米花状ZnIn2S4/CuS异质结光催化制氢示意图(文章TOC)
光催化制氢类型II机理图
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337324000134
课题组链接：https://www.x-mol.com/groups/Lian_Zichao
供稿：材化学院
