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AFM：計(jì)算+實(shí)驗(yàn)！構(gòu)建P-SnS/n-ZnIn2S4 I型異質(zhì)結(jié)用于光催化析氫

對(duì)于光催化水分解制氫，由于需要光生電子和空穴的空間分離，Ⅱ型異質(zhì)結(jié)被認(rèn)為具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于兩個(gè)半導(dǎo)體間的費(fèi)米能級(jí)差引起的界面電場(chǎng)(IEF)，Ⅱ型異質(zhì)結(jié)也可以分為Z型(S型)。其中，Z型異質(zhì)結(jié)可以實(shí)現(xiàn)光生載流子的分離，顯著提高光催化產(chǎn)氫性能，表明等離子體電場(chǎng)是促進(jìn)光生載流子分離的有力手段。

相比之下，跨能隙Ⅰ型異質(zhì)結(jié)光催化性能的提高主要?dú)w因于活性位點(diǎn)的改變、光吸收范圍的擴(kuò)大、光熱效應(yīng)等。然而，傳統(tǒng)的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制使得Ⅰ型異質(zhì)結(jié)的析氫反應(yīng)發(fā)生在還原性較弱的一側(cè)，極大地限制了其應(yīng)用。

特別地，Ⅰ型異質(zhì)結(jié)中的等離激元效應(yīng)幾乎被忽略，這預(yù)示著對(duì)于大電勢(shì)差的p-n Ⅰ型異質(zhì)結(jié)的分離效應(yīng)會(huì)被嚴(yán)重低估。因此，通過(guò)調(diào)控Ⅰ型異質(zhì)結(jié)界面處的等電聚焦效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有特定電子結(jié)構(gòu)的光生載流子的分離具有重要意義。

基于此，北京航空航天大學(xué)張俊英和北京科技大學(xué)王榮明等在密度泛函理論(DFT)計(jì)算的指導(dǎo)下，采用溶劑熱法合成了不同Sn空位濃度的p-SnS納米片，并將其與含有硫空位的ZnIn₂S₄(ZIS)納米片復(fù)合形成p-n異質(zhì)結(jié)，用于光催化產(chǎn)氫。

具體而言，費(fèi)米能級(jí)最低的SnS (SS-2)與ZnIn₂S₄構(gòu)成了最大的界面電場(chǎng)，相應(yīng)的SnS/ZnIn₂S₄的析氫速率高達(dá)22.75 mmol g^-1 h^-1，是ZnIn₂S₄的6.23倍。

此外，在三次循環(huán)測(cè)試后，SS-2/ZIS的形貌和物相組成可以保留，表明其具有良好的穩(wěn)定性；然而，SS-2/ZIS的光催化活性在第4次循環(huán)時(shí)開(kāi)始下降，這可能是由于硫化物的光腐蝕現(xiàn)象引起的。

更重要的是，SS-2/ZIS在380 nm、405 nm和420 nm處的表觀量子效率(AQE)分別為20.36%、18.05%和7.54%，表明SS-2/ZIS是一種高效的光催化劑。同時(shí)，SS-2/ZIS的太陽(yáng)能-氫氣(STH)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.55%，再次證明該催化劑具有優(yōu)異的光催化產(chǎn)氫活性。

XPS譜和界面結(jié)合能計(jì)算結(jié)果表明，界面Sn-S鍵可能作為傳輸通道加速界面電荷-載流子轉(zhuǎn)移，而界面電場(chǎng)有效地驅(qū)動(dòng)了光生載流子的分離；因此，p-n Ⅰ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的SnS/ZnIn₂S₄能夠促進(jìn)光生載流子分離并抑制電荷復(fù)合，保留ZnIn₂S₄導(dǎo)帶上的高還原電子用于析氫反應(yīng)。

總的來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)研究深入研究了Ⅰ型異質(zhì)結(jié)界面電場(chǎng)的作用機(jī)理，為通過(guò)調(diào)控界面實(shí)現(xiàn)高效光催化活性提供了思路。

Interfacial Mediation by Sn And S Vacancies of p-SnS/n-ZnIn₂S₄ for Enhancing Photocatalytic Hydrogen Evolution with New Scheme of Type-I Heterojunction. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202304072

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