吉大崔小强团队AFM：调控ZIS/MXene肖特基异质结中S空位，促进光催化析氢！

第一作者：Minghua Xu

通讯作者：崔小强，Xiaowen Ruan, Sai Kishore Ravi

通讯单位：吉林大学，香港城市大学

论文速览

本研究聚焦于通过调节ZnIn₂S₄（ZIS）中的硫空位来增强其作为光催化剂产生氢气的效率。ZIS作为一种典型的金属硫化物半导体，在光催化领域受到了广泛关注。尽管先前的研究已经探索了通过引入硫空位来增强ZIS的光催化氢产生效率，但是关于ZIS中硫空位的控制和调节的详细研究还相对缺乏。

本研究展示了适度的硫空位可以增强析氢，而过量的空位可能会阻碍这一过程，强调了硫空位调节的重要性。

通过理论计算指导，我们设计并合成了具有调节硫空位的ZIS，实现了合适的氢吸附自由能，并与MXene共催化剂形成肖特基异质结，以增强析氢。优化后的ZnIn₂S₄/MXene（ZMX）在可见光照射下的析氢性能达到14.82 mmol g⁻¹ h⁻¹，超过了多种已报道的基于ZnIn₂S₄的光催化剂。

性能的提升归因于通过硫空位调节和共催化效应实现的拓宽光吸收和增强的载流子传输。飞秒超快吸收（fs-TA）光谱和其他原位/外 situ表征进一步证明了ZMX催化剂中高效的分离和转移。

图文导读

图1: 展示了催化剂设计的示意图和析氢机制。

通过改变反应前体TAA的比例，研究了不同硫空位（Sv）含量的ZIS。理论计算表明，具有适度硫空位的ZIS（ZIS-M）具有最有利的氢吸附自由能。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像和透射电子显微镜（TEM）图像揭示了ZMX的形态和结构，证明了ZMX催化剂的成功合成。

图2: 展示了ZIS和ZIS-X样品的光催化析氢性能。

特别是，具有适度硫空位的ZIS（ZIS-M）展示了最高的析氢速率。通过将优化的ZIS-M与不同比例的MXene共催化剂结合，形成的ZMX-M催化剂展示了卓越的光催化析氢速率，远超先前报道的基于ZnIn₂S₄的光催化剂。

图3: 利用X射线光电子能谱（XPS）分析了合成样品的元素组成和表面化学状态。

XPS结果显示，ZMX-X催化剂中Zn和S元素的结合能随着MXene含量的增加而向更高能量移动，表明光生电子从ZIS转移到MXene。

图4: 通过光电化学分析以及稳态和瞬态表面光电压（SPV/TPV）测试评估了载流子的分离和迁移效率。

ZMX-M催化剂展示了最高的光电流强度和最小的阻抗半径，表明其增强的电荷分离效率。ESR信号进一步证实了ZMX-M催化剂在光照下产生了大量的光生载流子。

图5: 紫外-可见（UV–vis）吸收光谱显示所有合成催化剂具有广泛的光吸收范围。

Mott–Schottky（M–S）测试表明ZIS-X是一个典型的n型半导体。通过分析带隙和M-S曲线，推断了这些催化剂的能量带结构。飞秒超快吸收（fs-TA）光谱进一步证实了ZMX-M催化剂在光激发下的高效电子转移。

总结展望

本研究通过精确控制ZnIn₂S₄中的硫空位，并与MXene共催化剂结合形成肖特基异质结，显著提升了光催化剂的析氢性能。

ZMX催化剂在可见光照射下达到了14.82 mmol g⁻¹ h⁻¹的析氢速率，这一数据显著超过了多种已报道的基于ZnIn2S4的光催化剂。

这一成果不仅为设计新型高效光催化剂提供了新思路，也为通过缺陷工程和共催化策略显著提高光催化效率开辟了新的可能性。

文献信息

标题: Modulation of Sulfur Vacancies in ZnIn2S4/MXene Schottky Heterojunction Photocatalyst Promotes Hydrogen Evolution

期刊: Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202402330

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