中科大俞书宏JACS：磷掺杂单晶四元硫化物纳米带实现高效可见光光催化析氢

氢能是传统化石能源的最佳替代能源之一，基于半导体的光催化制氢为太阳能制氢提供了一种理想的方法。然而较早的半导体光催化剂保持了较低的能量转换效率，这是由于太阳能吸收范围较窄，光生载流子分离效率较差以及活性位点有限。

此后，为了优化催化剂光催化性能采取了各种策略，元素掺杂在这方面具有很大的潜力，它可以增强光吸收，促进载流子分离和输运，并提供额外的活性位点。

为此，中国科学技术大学俞书宏等人将磷（P）掺杂到二维单晶四元硫化物Cu–Zn–In–S（CZIS）纳米带中使光催化制氢显著增强。

以硫化钠和亚硫酸钠为空穴牺牲剂，在可见光照射下（λ > 400nm）对P掺杂 CZIS纳米带的光催化产氢性能进行了研究。

P掺杂的CZIS纳米带的光催化活性随着反应时间的增加而增加，达到12.2 mmol h-¹g^-1的最高光催化产氢速率，这是CZIS 纳米带（3.4 mmol h^-1g^-1）的3.5倍和Pt修饰的CZIS纳米带（6.5 mmol h^-1g^-1）的2倍，并且优于最多报道的基于Cu的四元硫化物光催化剂。

然而，反应时间较长的P掺杂CZIS纳米带的光催化活性较低，这表明适度的P掺杂是获得最佳活性的必要条件。

P掺杂的CZIS纳米带表现出反应温度，反应时间和质量比依赖性的光催化活性，以质量比（Na₂H₂PO₂/CZIS 纳米带）为7:1在300 ° C保持60分钟合成方法下合成了最佳的P原子比为3.69%的P掺杂CZIS纳米带催化剂。

P掺杂可以通过调节四元硫化物纳米带的能带结构和电荷动力学而不改变其特殊的结构和表面，从而提高可见光光催化制氢性能。

利用超快光谱技术详细研究了P掺杂对载流子动力学的影响，结果表明 P 掺杂可以有效地促进光生载流子的分离，从而提高光催化性能。

与纯的CZIS纳米带相比，P-CZIS纳米带在光催化析氢速率不仅大大提升，并且在测试24小时后活性衰减可以忽略不计。

此外，这种P掺杂策略对单晶Cu–Zn–Ga–S纳米带具有通用性，实现了3倍的光催化析氢活性。元素掺杂工程的思想为合理设计先进的半导体光催化剂提供了一条途径，用于高效率的太阳能-燃料转化。

Phosphorus-doped single-crystalline quaternary sulfide nanobelts enable efficient visible-light photocatalytic hydrogen evolution, Journal of the American Chemical Society, 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c07313.

https://doi.org/10.1021/jacs.2c07313.