中山大学杨国伟团队：半晶胞单层及硫空位掺杂ZnIn2S4光催化分解水

光催化分解水制取氢气是一种直接利用太阳能生产清洁能源的重要方法。但是，对于传统半导体光催化材料，由于光激发的电子-空穴对的复合相对较快从而限制其实际应用。

近年来发展的二维光催化材料为提高光催化性能开辟了一条有效途径，这是因为载流子转移到表面的距离较短，从而阻碍了光生电子与空穴的复合。

在目前所研究的二维半导体光催化材料中，ZnIn₂S₄ 由于其具有对可见光响应、光稳定性以及适合于氢化反应的能带隙结构等特点，引起了人们广泛关注。由于ZnIn₂S₄ 单晶胞中存在着层间相互作用力的双层结构，因此少数层包括单晶胞双层的二维结构比较容易在实验上获得并被证实其在光催化性能优于相应的体材料。

近日，中山大学杨国伟教授研究组的杜纯博士生首次在国际上报道了半晶胞单层及硫空位掺杂ZnIn₂S₄  的光催化分解水研究。

通过时间分辨光致发光光谱等实验分析，可以证实半晶胞单层ZnIn₂S₄ 二维结构相比于单晶胞双层ZnIn₂S₄  具有更长的载流子寿命从而具有更加优异的光催化性能。

此外，他们进一步在半晶胞ZnIn₂S₄ 单层的基础上引入了硫空缺进行电子结构调控，通过理论计算和实验观测证实了硫空缺的引入使得半晶胞单层ZnIn₂S₄ 价带上能产生更多的载流子参与光催化反应。

同时，硫空缺的存在可以捕获光生电子，从而进一步延长了光生电子空穴对的寿命。而电子结构的改变也影响了其价导带的变化，在光催化过程中能与牺牲剂和水反应快速消耗空穴，从而提高电子的利用率。

所以，在双重分离光生电子空穴对的目的下，单层硫空缺ZnIn₂S₄ 可以更有效地延长载流子的寿命，实现产氢速率的提高，可达13.478 mmol/g/h，远高于目前所报道的ZnIn₂S₄ 光催化产氢性能。因此，该研究为设计和开发具有高的电荷转移效率的二维光催化材料提供了新的视角。

杜纯博士生为第一作者，杨国伟教授为通讯作者。

Du C, Zhang Q, Lin Z, et al. Half-unit-cell ZnIn2S4 monolayer with sulfur vacancies for photocatalytic hydrogen evolution[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2019.