利用太陽(yáng)光和水這兩種地球上最豐富的自然資源，以2:1的化學(xué)計(jì)量比生產(chǎn)氫氣（H2）和氧氣（O2），在實(shí)現(xiàn)碳中和方面具有巨大潛力。與光電化學(xué)分水等某些太陽(yáng)能制氫技術(shù)相比，光催化整體水分解（photocatalytic overall water-splitting）技術(shù)無(wú)需外部偏壓或電路，降低了系統(tǒng)成本，并減輕了光催化劑的腐蝕、穩(wěn)定性和安全性問(wèn)題。由此可知，基于半導(dǎo)體的光催化整體水分離是一種理想的太陽(yáng)能到化學(xué)能轉(zhuǎn)換途徑。然而，混合系統(tǒng)中反應(yīng)路徑長(zhǎng)、活性位點(diǎn)分布隨機(jī)，限制了其光催化活性。因此就需要在太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)具有高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫氣（solar-to hydrogen，STH）效率的光催化劑。

金屬硫化物因其合適的能帶、可設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光電特性而被認(rèn)為是前景廣闊的光催化劑。具有代表性的金屬硫化物如ZnIn2S4、MoS2、WS2 和 In2S3 等已被廣泛應(yīng)用于光催化水分離領(lǐng)域。其中，ZnIn2S4（ZIS）是一種典型的三元層狀金屬鹵化物半導(dǎo)體，具有約2.44 eV 的合適帶隙和 -0.43 eV 的導(dǎo)帶電位，具有吸收可見(jiàn)光的能力和較強(qiáng)的還原能力，可通過(guò)水分裂產(chǎn)生 H2。圍繞 ZIS 光催化劑，許多策略都實(shí)現(xiàn)了提高 H2 生成性能，如構(gòu)建 Z 型硫空位 ZIS 與其他半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)、在 ZIS 納米片中摻雜原子銅誘導(dǎo) S 空位、在 ZIS 的硫原子位點(diǎn)中摻入陰離子位點(diǎn)氧，以及調(diào)制突出單個(gè)鉑原子的共催化劑，但它們都無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的整體分水反應(yīng)。提高水分離效率的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是單一光催化劑中活性位點(diǎn)的均勻組成和一致的電子結(jié)構(gòu)。此外，ZIS 光催化劑中的硫原子極易被光生空穴氧化，導(dǎo)致其不穩(wěn)定。這些瓶頸導(dǎo)致惰性基阻礙氧氣的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致整體分水性能低下。

有鑒于此，材料學(xué)院李炫華教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種畸變誘發(fā)陽(yáng)離子位O 摻雜的 ZIS（D-O-ZIS），以打破其相鄰原子位點(diǎn)之間成分的均一性，實(shí)現(xiàn)高性能的整體水分離。

研究亮點(diǎn)：

亮點(diǎn)1.ZnIn2S4（D-O-ZIS）的畸變誘發(fā)陽(yáng)離子位氧摻雜在相鄰原子位點(diǎn)之間產(chǎn)生了顯著的電負(fù)性差異，在 S1-S2-O 位點(diǎn)的局部結(jié)構(gòu)中，S1 位點(diǎn)富電子，S2 位點(diǎn)缺電子。

亮點(diǎn)2.強(qiáng)烈的電荷再分配特性激活了S2 位點(diǎn)上穩(wěn)定的氧反應(yīng)，避免了金屬硫化物光催化中常見(jiàn)的硫不穩(wěn)定問(wèn)題，而 S1 位點(diǎn)則有利于氫的吸附/解吸。

亮點(diǎn)3.D-O-ZIS 實(shí)現(xiàn)了全面的水分離反應(yīng)，太陽(yáng)能-氫氣轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 0.57%，120 小時(shí)光催化測(cè)試后的保留率約為 91%。

在這項(xiàng)工作中，研究者從電負(fù)性差異的角度啟發(fā)了一種通用設(shè)計(jì)，以激活和穩(wěn)定金屬硫化物光催化劑，從而實(shí)現(xiàn)高效的整體水分離。

論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-44725-1

（文字：段慕松；審核：蔡利劍）