三单位联合Angew.：调节局部CdS同质结的d带中心以改善其光催化水分解性能

有效地将太阳能转化为可再生燃料，对于克服当前的能源危机和气候挑战具有重要意义。氢气燃料具有能量密度高、无碳排放的优点，被认为是实现碳平衡的最友好的资源之一。

研究人员已经通过一系列人工光催化剂，吸收光子并将其转化为化学燃料H₂，深入探索了光催化水分解。在光催化水分解过程中，加速的载流子转移动力学以及其含氧合中间体活化和转化的不受阻碍的表面反应动力学过程是迫切需要的，但目前尚未解决。

基于此，宁波大学姜淑娟、山东师范大学孙传智和宁波工程学院宋少青(共同通讯)等人通过高、低指数面来调节d带中心，优化了催化剂对关键中间体(^*-OH和^*-O)的吸附和活化，使得CdS催化剂展现出了优异的光催化水分解性能。

当光子照射λ≥420 nm时，在CdS_h/l同质结光催化剂上，随着照射时间的延长，H₂和O₂的生成速率增加。例如，CdS_h/l-2光催化剂上的H₂/O₂产率随照射时间的增加而增加，其H₂和O₂的生成速率为96.00/48.00 μmol h^-1。

相比之下，在相同的条件下，在CdS上没有观察到光催化水分解的发生，这可能主要归因于两个因素，包括光生载流子的动态迁移和暴露于反应物的低比面积。虽然CdS_h/l-1(59.22/40.78)、CdS_h/l-3(60.08/39.92)与CdS_h/l-2(59.90/40.10)的LIF(低指数面，110)/HIF(高指数面，002)比值差异虽小于1%，但其催化性能明显低于CdS_h/l-2。

为了说明h/l比对催化剂催化性能的影响，本文利用Mg(OH)₂·4MgCO₃·xH₂O在550 ℃和1050 ℃煅烧得到的MgO模板，分别制备了LIF(110)/HIF(002)为57.12/42.88和63.18/36.82的两个催化剂，并分别标记为CdS_h/l-L和CdS_h/l-H。

对于两种光催化剂体系，当LIF(002)或HIF(110)的比例相对于CdS_h/l-2大幅增加时，其在可见光照射下的光催化析氢/析氧性能急剧下降，分别为14.00/7.00 μmol h^-1(CdS_h/l-L)和6.00/3.00 μmol h^-1(CdS_h/l-H)，甚至远低于CdS_h/l-1和CdS_h/l-3。随后，在AM 1.5 G照射下，对于CdS_h/l-2，其H₂/O₂产率为32.00/16.00 μmol h^-1，STH值为0.94%。

之后，本文还探究了温度对气体析出速率和STH的影响，对CdS_h/l-2进行了控制温度条件下的光催化水分解性能测试。可以看出，在25~65 ℃的温度范围内，H₂/O₂的析出速率从32.00/16.00 μmol h^-1增加到了77.28/38.64 μmol h^-1，其STH也从0.94%增加到2.20%。

本文通过优化高、低指数面的比例调控了催化剂d带中心，进而调控了^*-OH和^*-O在还原活性位点和氧化活性位点上的化学吸附和反应转化，有效地活化了局部CdS同质结光催化剂，使H₂O分解为H₂和O₂。在AM 1.5 G激发下，水可以持续地分解成H₂和O₂，催化剂的STH高达2.20%。

电荷转移和相应的表面氧化还原反应的动力学已经通过原位漫反射红外傅立叶变换光谱、霍尔效应和密度泛函理论计算得到了证实，具体而言：1)e^–和h⁺被促进转移到具有局域场的活性CdS同质结的还原性HIF(002)和氧化性LIF(110)上；2)中间体^*-OH脱氢和^*-O耦合，可在还原和氧化面上动态完成，分别促进了H₂和O₂生成。总之，本研究不仅提供了一种解决光催化水分解动力学瓶颈问题的策略，而且为显著提高STH开辟了一条新的途径，以满足商业技术推广的要求。

Regulation of d-Band Centers in Localized CdS Homojunctions through Facet Control for Improved Photocatalytic Water Splitting, Angewandte Chemie International Edition, 2023, DOI: 10.1002/anie.202307808.

https://doi.org/10.1002/anie.202307808.

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