獲取清潔的氫能替代傳統(tǒng)化石燃料是解決能源危機(jī)、環(huán)境污染等世界性難題的有效途徑。因此，如何通過(guò)催化劑設(shè)計(jì)高效地獲取氫能一直是當(dāng)代科研工作者的工作重心和研究熱點(diǎn)。

研究表明良好的電催化劑需具備以下特點(diǎn)：

(1) 價(jià)格低廉，不包含貴金屬元素(如Pt)；

(2) 更多的活性位點(diǎn)，擴(kuò)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(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)制備或引入空位、摻雜等通過(guò)微結(jié)構(gòu)調(diào)控方法增加活性位點(diǎn)數(shù)量、提高材料的催化活性，但是這種設(shè)計(jì)會(huì)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(jié)構(gòu)改造（例如，半導(dǎo)體—金屬相變）這個(gè)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(xué)物理學(xué)院吳興龍教授課題組通過(guò)特定波長(zhǎng)近紅外光在超薄FeS納米片中激發(fā)大量光生載流子，通過(guò)電聲子耦合作用降低該體系中半導(dǎo)體—金屬相變的勢(shì)壘，從而實(shí)現(xiàn)載流子高效遷移和催化活性巨大提升。

圖1. 半導(dǎo)體—金屬相變物理過(guò)程機(jī)制圖及原位拉曼表征

本研究工作首次在廉價(jià)的FeS納米片體系中實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體—金屬相變并且創(chuàng)造性地用于提高電催化性能，對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)調(diào)控和新型催化劑設(shè)計(jì)提供了一種全新的認(rèn)識(shí)和研究思路。

圖2. 光電探測(cè)和紅外成像證明半導(dǎo)體—金屬相變過(guò)程

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)超薄的FeS相變溫度大概在400K左右，會(huì)因?yàn)镕e原子的位移從扭曲的P2c相轉(zhuǎn)變成高度對(duì)稱的P63/mmc相，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體—金屬相變。通過(guò)原位拉曼技術(shù)監(jiān)測(cè)Eg模式位移發(fā)現(xiàn)，光生載流子的大量注入會(huì)使得相變溫度降低到~323K。理論的計(jì)算和光電探測(cè)表明紅外光引入會(huì)通過(guò)電聲子相互作用明顯降低相變勢(shì)壘。

圖3. 電催化性能測(cè)試

通過(guò)DFT理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，金屬體相FeS體系表面裸露的Fe1和Fe2位點(diǎn)具有更高的催化活性。電催化性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析都表明該催化劑遵循Volmer-Heyrovsky反應(yīng)機(jī)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(fā)表在Nature Communications 10, 399 (2019).?

南京大學(xué)物理學(xué)院博士生周鋼、曉莊學(xué)院副教授單云、湖南大學(xué)王龍祿、江蘇科技大學(xué)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.