新加坡国立大学/苏州科技大学，AM！

学术 2024-11-17 08:31 广东

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光催化双电子氧还原反应(ORR)可以直接将太阳能转化为H₂O₂。尽管具有合适带状结构的多种光催化剂可用于H₂O₂生成，但是增强与光生电荷分离和转移相关的电荷动力学仍然具有挑战性，这限制了H₂O₂的生产速率。在这种情况下，构建异质结构，特别是Z型配置，是解决上述问题的一个有效策略。

值得注意的是，不同半导体之间的晶格不匹配直接影响界面电荷动力学。此外，在异质界面产生内置电场(BIEF)的能力对于促进界面电荷转移至关重要。因此，设计一个具有BIEF和最小晶格失配的共价键桥联异质界面以协同优化光催化H₂O₂的产生是非常可取的。

近日，新加坡国立大学林志群、苏州科技大学杨鸿斌和胡俊蝶等在密度泛函理论(DFT)计算的指导下，设计了一个具有强共价键桥(In-S-Cd)和相干异质界面的In₂S₃/CdS异质结，并且该催化剂具有从In₂S₃到CdS的BIEF，大大提高了H₂O₂的光合效率。

理论计算表明，CdS(E_g=2.4 eV)和In₂S₃(E_g=2.0 eV)作为模型半导体具有优异的光电性能；并且，CdS(001)和In₂S₃(110)叠加形成亲密的共价异质界面，利用CdS的最外层S原子作为锚定位点与In₂S₃连接(即形成In-S-Cd桥)，使得界面δ超小，达到0.27%。

更重要的是，设计良好的异质结构有利于在H₂O₂生成过程中吸附*O₂和生成*OOH中间体。优化的In₂S₃/CdS异质结实现了2.09 mmol g^-1 h^-1的优异H₂O₂产生速率，在400 nm处表现出17.73%的高AQE，并且避免了氧气鼓泡和牺牲剂的需要，超过了先前报道的大多数催化剂。

机理研究证实，在可见光照射下In₂S₃/CdS的光生电子被激发到半导体的CB中，而光生空穴保留在VB中。CdS的CB中的电子通过共价In-S-Cd桥与In₂S₃的空穴发生重组，从而在异质界面形成内置电场。异质界面上的BIEF反过来促进了电荷的快速分离和运输，导致更多的分离的氧化还原中心具有更强的氧化还原能力。光激发电子主要在In₂S₃上积累，并迅速参与ORR反应生成H₂O₂，而空穴主要集中在CdS上进行水氧化反应生成O₂，为H₂O₂的生成提供了必要的组分。

总的来说，该项工作突出了剪裁界面晶格失配和建立一个稳定的BIEF在增强光催化方面的有效性，为设计高效的光催化剂提供了思路。

Lattice match-enabled covalent heterointerfaces with built-in electric field for efficient hydrogen peroxide photosynthesis. Advanced Materials, 2024. DOI: 10.1002/adma.202412070

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