物質學院馬貴軍課題組發現氧硫化物光催化劑各向異性電荷傳輸機制

氫能是一種環保無污染和具備高能量密度的能源?；跓o機半導體的光催化分解水過程是一種綠色環保的制氫工藝，可將太陽能轉化并儲存在氫氣分子中。在光催化分解水反應中，半導體催化劑的光吸收、體相電荷分離和表面電荷注入被普遍認為是實現高效轉換的三個關鍵因素。

目前常見的半導體材料難以同時滿足寬光譜吸收和高電荷分離效率這兩大關鍵點。近日，上?？萍即髮W物質科學與技術學院馬貴軍課題組采用熔鹽輔助固相法成功地合成了一種窄帶隙的氧硫化物納米片Y₂Ti₂O₅S₂（YTOS），發現這一材料具有晶面選擇性電荷遷移特性，表現出優異的體相電荷分離能力，并進一步顯著提升光催化分解水反應活性，實現高效的太陽能制氫。這項研究首次證實了鈣鈦礦氧硫化物光催化劑的各向異性電荷遷移特性，對于提升這一類材料中的電荷分離和表面催化效率至關重要。成果發表于化學領域學術期刊《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）。

圖1：貴金屬及金屬氧化物在YTOS上選擇性沉積的SEM。（d-e）YTSO{101}和{001}的表面原子幾何結構。（f）YTSO｛101｝和｛001｝表面的PDOS。（g）YTSO{101}和{001}表面上最外層原子的PDOS。（h）YTOS納米片的{101}和{001}面之間的II型表面異質結

本工作證明了YTOS納米片的{101}和{001}晶面在光催化過程中分別起到光還原和光氧化的作用，即YTOS納米片在光激發下產生的電子和空穴會自發地分別朝著這兩個晶面遷移，顯示出這種氧硫化物具有各向異性的電荷遷移性質?；诿芏确汉碚摚―FT）計算揭示了YTOS的{101}和{001}晶面之間存在帶能級差異，促進了電荷在晶面之間的遷移。這種各向異性電荷遷移產生了在這兩個晶面之間的內建電場，能夠極大促進光催化過程中的電荷載流子分離，從而提升光催化活性。

圖2空間分辨表面光電壓顯微鏡（KPFM）所測試的顆粒形貌和表面光電壓圖（左）; Z-scheme光催化全水分解示意圖（右上）及在Xe燈和太陽能模擬器下的全水分解活性（右下）

研究團隊還定量精確測量了YTOS微觀顆粒不同晶面的表面光電壓，計算出內建電場強度，進一步證明了YTOS具有本征的各向異性電荷遷移能力，驗證了YTOS的內建電場強度與其光催化產氫活性高度相關。

Z-scheme光催化體系的設計靈感源于自然界中的Z型光合作用機制：兩個光系統（PSI和PSII）協同合作，通過一個呈Z型的電子傳遞鏈完成太陽能的捕獲和轉換。而人工Z-scheme光催化系統中也采用兩種不同的光催化劑，各自對應自然界中的一個光系統?；赯-scheme理念，采用YTOS作為析氫光催化劑結合具有產氧活性的BiVO₄光催化劑，在[Co(bpy)₃]^2+/3+氧化還原電對中實現了穩定的太陽能驅動的光催化全水分解，并取得了高效的太陽能到氫能轉換效率（STH）。

上科大物質學院2022級博士研究生張家銘為本項成果的第一作者，上科大物質學院馬貴軍教授和北京大學深圳研究生院周鵬教授為共同通訊作者，上?？萍即髮W為合作成果的第一完成單位。上?？萍即髮W電鏡中心、分析測試平臺為材料分析測試提供了幫助。

論文標題：Anisotropic Charge Migration on Perovskite Oxysulfide for Boosting Photocatalytic Overall Water Splitting

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c12417