近日，我校微纳研究院团队在《Carbon Energy》上发表了题为“Crystal‐Interface‐Mediated Self‐Assembly of ZnIn₂S₄/CdS S‐scheme Heterojunctions Toward Efficient Photocatalytic Hydrogen Production”的研究论文。论文DOI：https://doi.org/10.1002/cey2.707。

研究背景：

随着全球能源危机和环境问题的日益严峻，开发清洁、可持续的能源技术成为当务之急。光催化水分解制氢作为一种绿色能源解决方案，因其直接利用太阳能驱动水分解产生氢气而备受关注。然而，光催化效率低和稳定性差等问题严重制约了其实际应用。在众多光催化剂中，二维结构的金属硫化物（如ZnIn₂S₄）因其优异的可见光响应性和合适的能带结构，展现出巨大的潜力。然而，其光生载流子快速复合的问题限制了其催化性能。通过构建异质结结构（如S型异质结）可以有效促进电荷分离，但如何实现原子级界面接触和高效电荷转移仍是当前研究的难点。

成果简介：

本研究通过声化学方法在室温常压下成功构建了ZnIn₂S₄/CdS S型异质结光催化剂。该异质结通过ZnIn₂S₄的（007）晶面与CdS的（101）晶面紧密匹配（晶格失配率低于5%），形成了高效的界面电荷转移通道。实验结果表明，所制备的ZnIn₂S₄/CdS-0.6催化剂在可见光（λ > 400 nm）照射下表现出较好的光催化产氢性能，产氢速率高达5678.2 μmol h^-1g^-1，分别是纯ZnIn₂S₄NSs和CdS NPs的10倍和4.6倍，且稳定性优异，在长达60小时的连续测试中未出现性能衰减。此外，该催化剂在400 nm光照射下的内量子效率达到6.1%。通过理论计算和实验表征，研究揭示了异质结界面处内建电场和功函数差异驱动的S型电荷转移机制，有效抑制了载流子复合并减轻了ZnIn₂S₄的光腐蚀。这项工作为设计高效、稳定的光催化剂提供了新思路。

图文解析：

图1.异质结的界面结构与元素分布

通过HRTEM和元素映射分析了ZnIn₂S₄/CdS-0.6异质结的界面原子排列和元素分布。结果显示，CdS NPs均匀分布在ZnIn₂S₄NSs表面，Zn、In、Cd和S元素分布均匀，证实了异质结的成功构建。理论计算模拟的界面原子结构进一步验证了CdS (101)与ZnIn₂S₄(007)晶面的高兼容性。

图2.光催化产氢性能与稳定性

在可见光照射（λ > 400 nm）下，ZnIn₂S₄/CdS-0.6的产氢速率达到5678.2 μmol h^-1g^-1，分别是纯ZnIn₂S₄NSs和CdS NPs的10倍和4.6倍。稳定性测试表明，异质结在60小时内保持高效产氢活性，且循环测试后形貌和化学状态未发生明显变化，显示出优异的稳定性。

图3电子结构与能带排列

通过理论计算分析了异质结的界面电子结构。CdS的功函数（5.13 eV）高于ZnIn₂S₄（3.85 eV），导致电子从ZnIn₂S₄向CdS转移，形成由ZnIn₂S₄指向CdS的内建电场。光照下，电荷在界面处的定向转移形成了S型异质结，显著提升了光催化性能。