​西北工业大学Nature子刊：相邻原子位点间电负性差激活ZnIn2S4，实现高效光催化水分解

利用太阳光和水这两种地球上最丰富的自然资源用来生产氢气(H₂)和氧气(O₂)，对于实现碳中和具有重要意义。与某些太阳能制氢技术(如光电化学分解水)相比，光催化整体水分解无需外加偏压或电路，从而降低了系统成本，缓解了光催化剂的腐蚀、稳定性和安全性问题。

基于半导体的光催化整体水分解是一种理想的太阳能转化为化学能的途径。构建复合光催化剂可以增强光收集和促进光生电荷分离。然而，较长的反应路径和杂化体系中活性位点的随机分布限制了其光催化活性。因此，在太阳能氢系统中开发具有高太阳能-氢(STH)效率的光催化剂仍然是一个巨大的挑战。

近日，西北工业大学李炫华课题组设计了一种畸变诱导的阳离子位点O掺杂ZnIn₂S₄(ZIS) (D-O-ZIS)，以打破其相邻原子位之间组分的均匀性，实现高性能的整体水分解。

正常情况下，O原子倾向于占据ZIS的阴离子位置，O掺杂在阳离子位置在热力学上是不利的。D-O-ZIS通过构建一个中间的、畸变的高能结构，克服了阳离子位点O掺杂的高势垒，有利于O原子进入阳离子位(即畸变诱发阳离子位点O掺杂)。该策略涉及热诱导原子迁移以产生扭曲的边缘结构(D-ZIS)，随后用O₂等离子体处理以引起阳离子位点O掺杂并产生D-O-ZIS。畸变态和阳离子位点O掺杂引起电荷重新分布，改变了O掺杂畸变区配位原子的电负性平衡。

具体而言，D-O-ZIS的局部S₁-S₂-O构型中的富电子S₁位点和缺电子S₂位点在反应过程中表现出对H₂或O₂的最佳吸附/脱附行为。结果表明，D-O-ZIS作为单一光催化剂表现出优异的光催化分解水性能，120 h后活性保留率约为91%，STH为0.57%。

此外，研究人员还提出了D-O-ZIS光催化剂分解水的原理：首先，D-O-ZIS吸收入射光子产生光生载流子，由于畸变诱发阳离子位点O掺杂结构的强偶极性，在内建电场的驱动下，光生电子-空穴对被有效分离，并转移到活性S₁-S₂-O位点发生氧化还原反应；同时，S₁和S₂原子之间强烈的电荷重分布特性和较大的电荷差异激活了S₂位点上稳定的析氧反应，避免了金属硫化物中硫析出的问题；而S₁位点则有利于H的吸附/解吸。因此，D-O-ZIS作为单一光催化剂实现了高稳定性、高效率的整体水分解。

Large electronegativity differences between adjacent atomic sites activate and stabilize ZnIn₂S₄ for efficient photocatalytic overall water splitting. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-44725-1