太陽能驅(qū)動的光催化水分解制氫技術(shù)為解決全球能源和環(huán)境問題提供了一條可持續(xù)、環(huán)境友好的途徑。光吸收、體電荷分離和表面電荷注入被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光催化劑高效太陽能-氫轉(zhuǎn)化(STH)的關(guān)鍵。因此，具有窄禁帶、高結(jié)晶度和可控表面修飾的無機(jī)半導(dǎo)體材料已成為研究人員的熱門選擇。Y2Ti2O5S2(YTOS)是一種很有應(yīng)用前景的硫氧化物光催化劑，其帶隙僅為1.9 eV，對應(yīng)的光吸收可達(dá)640 nm，理論最大STH為20.9%。
文獻(xiàn)報道的YTOS的合成方法有固相反應(yīng)法(SSR)和氣固相熱硫化法(H2S)。SSR法制備的產(chǎn)物結(jié)晶度高，形貌規(guī)則，但顆粒大嚴(yán)重抑制了其活性；雖然熱硫化過程導(dǎo)致產(chǎn)物粒徑明顯減小，但產(chǎn)物結(jié)晶度低，易形成過硫雜質(zhì)。因此，合成結(jié)晶度高、形貌規(guī)則、尺寸小的YTOS顆粒，不僅有利于提高該材料的光催化活性，而且有利于實(shí)際應(yīng)用。近日，上?？萍即髮W(xué)馬貴軍和北京大學(xué)深圳研究生院周鵬等通過助熔劑輔助固相反應(yīng)合成了一種窄帶隙的YTOS硫氧化物納米片，其{101}和{001}面共暴露，表現(xiàn)出各向異性的電荷遷移特性。助催化劑的選擇性光沉積表明，YTOS納米片的{101}和{001}面分別是光催化過程中的還原區(qū)和氧化區(qū)。密度泛函理論(DFT)計算表明，YTOS的{101}面和{001}面之間存在能級差，導(dǎo)致它們之間的各向異性電荷遷移，且{101}表面暴露的Ti原子和{001}表面暴露的S原子分別是YTOS納米片的還原和氧化中心。這種各向異性的電荷遷移在這兩個面之間產(chǎn)生了一個內(nèi)置的電場，通過空間分辨的表面光電壓顯微鏡對其進(jìn)行了量化，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度與YTOS的光催化產(chǎn)氫活性高度相關(guān)，尤其是在Na2S-Na2SO3空穴捕獲劑的輔助下和在{101}面上負(fù)載Pt@Au助催化劑后，表現(xiàn)出高達(dá)18.2% (420 nm)的表觀量子產(chǎn)率。結(jié)合產(chǎn)氧光催化劑和[Co(bpy)3]2+/3+氧化還原穿梭電對，YTOS納米片通過Z型機(jī)制實(shí)現(xiàn)整體水分解，且太陽能-氫轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.15%。綜上，該項(xiàng)工作首次證實(shí)了鈣鈦礦型硫氧化物光催化劑中的各向異性電荷遷移，展示了這些窄帶隙材料應(yīng)用于太陽光驅(qū)動的整體水分解的巨大潛力。Anisotropic charge migration on perovskite oxysulfide for boosting photocatalytic overall water splitting. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c12417
