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张俊英/王荣明AFM：计算+实验！构建P-SnS/n-ZnIn2S4 I型异质结用于光催化析氢

时间：2023-09-27 来源： 浏览：

张俊英/王荣明AFM：计算+实验！构建P-SnS/n-ZnIn2S4 I型异质结用于光催化析氢

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对于光催化水分解制氢，由于需要光生电子和空穴的空间分离，Ⅱ型异质结被认为具有绝对优势。同时，由于两个半导体间的费米能级差引起的界面电场(IEF)，Ⅱ型异质结也可以分为Z型(S型)。其中，Z型异质结可以实现光生载流子的分离，显著提高光催化产氢性能，表明等离子体电场是促进光生载流子分离的有力手段。
相比之下，跨能隙Ⅰ型异质结光催化性能的提高主要归因于活性位点的改变、光吸收范围的扩大、光热效应等。然而，传统的电荷转移机制使得Ⅰ型异质结的析氢反应发生在还原性较弱的一侧，极大地限制了其应用。
特别地，Ⅰ型异质结中的等离激元效应几乎被忽略，这预示着对于大电势差的p-n Ⅰ型异质结的分离效应会被严重低估。因此，通过调控Ⅰ型异质结界面处的等电聚焦效应来实现具有特定电子结构的光生载流子的分离具有重要意义。
基于此， 北京航空航天大学张俊英 和 北京科技大学王荣明 等在密度泛函理论(DFT)计算的指导下，采用溶剂热法合成了不同Sn空位浓度的p-SnS纳米片，并将其与含有硫空位的ZnIn 2 S 4 (ZIS)纳米片复合形成p-n异质结，用于光催化产氢。
具体而言，费米能级最低的SnS (SS-2)与ZnIn 2 S 4 构成了最大的界面电场，相应的SnS/ZnIn 2 S 4 的析氢速率高达22.75 mmol g -1 h -1 ，是ZnIn 2 S 4 的6.23倍。
此外，在三次循环测试后，SS-2/ZIS的形貌和物相组成可以保留，表明其具有良好的稳定性；然而，SS-2/ZIS的光催化活性在第4次循环时开始下降，这可能是由于硫化物的光腐蚀现象引起的。

更重要的是，SS-2/ZIS在380 nm、405 nm和420 nm处的表观量子效率(AQE)分别为20.36%、18.05%和7.54%，表明SS-2/ZIS是一种高效的光催化剂。同时，SS-2/ZIS的太阳能-氢气(STH)转换效率达到1.55%，再次证明该催化剂具有优异的光催化产氢活性。
XPS谱和界面结合能计算结果表明，界面Sn-S键可能作为传输通道加速界面电荷-载流子转移，而界面电场有效地驱动了光生载流子的分离； 因此，p-n Ⅰ型异质结构的SnS/ZnIn 2 S 4 能够促进光生载流子分离并抑制电荷复合，保留ZnIn 2 S 4 导带上的高还原电子用于析氢反应。
总的来说，该项研究深入研究了Ⅰ型异质结界面电场的作用机理，为通过调控界面实现高效光催化活性提供了思路。
Interfacial Mediation by Sn And S Vacancies of p-SnS/n-ZnIn 2 S 4 for Enhancing Photocatalytic Hydrogen Evolution with New Scheme of Type-I Heterojunction. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202304072

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