上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院馬貴軍團(tuán)隊(duì)通過(guò)精細(xì)調(diào)控Y₂Ti₂O₅S₂氧硫化物光催化劑的晶體形貌與晶面反應(yīng)活性，成功實(shí)現(xiàn)了在420 nm單色光下60.4%的產(chǎn)氫半反應(yīng)量子效率，刷新同類(lèi)材料記錄。本工作還有效實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的全水分解反應(yīng)，充分展現(xiàn)出該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力，為太陽(yáng)能制氫領(lǐng)域的發(fā)展注入新動(dòng)力。相關(guān)成果發(fā)表于催化領(lǐng)域期刊《應(yīng)用催化B：環(huán)境與能源》（Applied Catalysis B: Environment and Energy）。

圖1 A-D: YTOS十面體薄片晶面暴露比例調(diào)控及晶面導(dǎo)向下的光催化產(chǎn)氫活性?xún)?yōu)化；E-F: 表面光電壓顯微鏡解析晶面間內(nèi)建電場(chǎng)分布

光催化分解水是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能的理想途徑，高效光催化劑需具有寬光譜吸收及快速電子-空穴分離的特性。本研究以具有可見(jiàn)光響應(yīng)能力且化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)異的氧硫化物為基礎(chǔ)材料，創(chuàng)新采用熔鹽助熔法降低材料合成過(guò)程中的擴(kuò)散能壘，成功制備出片狀十面體結(jié)構(gòu)的 YTOS 顆粒。團(tuán)隊(duì)通過(guò)表面光電壓顯微鏡，精準(zhǔn)觀(guān)測(cè)到不同晶面的電荷種類(lèi)與光電壓大小，進(jìn)而清晰解析晶面間的電位差與內(nèi)建電場(chǎng)分布特征，為 YTOS 材料高效的電荷分離特性提供直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖2 氧硫化物光催化產(chǎn)氫反應(yīng)性能總結(jié)

氧硫化物是一類(lèi)非常有前景的光催化劑材料，但由于在合成條件和活性提升方面的挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)鮮有課題組開(kāi)展相關(guān)研究，以往報(bào)道主要以東京大學(xué)等日本研究團(tuán)隊(duì)為主，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，對(duì)這一光催化劑材料的研究已進(jìn)入加速階段，近幾年在活性和機(jī)理方面不斷取得突破。馬貴軍團(tuán)隊(duì)自2017年起即布局氧硫化物相關(guān)研究，近期先后報(bào)道了Y₂Ti₂O₅S₂與Sm₂Ti₂O₅S₂催化劑的各向異性電荷傳輸性質(zhì)與定向精準(zhǔn)活性調(diào)控策略，在此基礎(chǔ)上，本工作進(jìn)一步將該類(lèi)光催化劑產(chǎn)氫的表觀(guān)量子效率提升到60.4% (@ 420 m)，是目前本領(lǐng)域最高活性記錄。

圖3 Z-scheme全分解水反應(yīng)機(jī)理及活性評(píng)估

模擬自然光合作用流程，團(tuán)隊(duì)以YTOS為產(chǎn)氫光催化劑，以同樣具有可見(jiàn)光吸收特性的BiVO₄為產(chǎn)氧光催化劑，并引入Co³⁺/Co²⁺離子對(duì)作為可逆電子介質(zhì)，構(gòu)建了可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)下的Z型全分解水反應(yīng)體系。該體系在A(yíng)M1.5模擬太陽(yáng)光以及高強(qiáng)度氙燈光照條件下均表現(xiàn)出穩(wěn)定的同步產(chǎn)氫、產(chǎn)氧能力。更重要的是，該反應(yīng)體系對(duì)外界壓力具有良好的耐受性，這一特性有利于提升光分解水工藝的實(shí)際應(yīng)用潛力。

上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院2022級(jí)博士研究生張家銘為論文的第一作者，物質(zhì)學(xué)院馬貴軍教授為通訊作者，上海科技大學(xué)為唯一完成單位。上?？萍即髮W(xué)電鏡中心以及分析測(cè)試平臺(tái)王鑫艷為材料分析測(cè)試提供了幫助。

論文標(biāo)題：Oxysulfide photocatalyst breaking the 60% quantum efficiency barrier for visible-light-driven hydrogen production from water

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337325008446