中北大学李宁胶体界面JCIS:双S-scheme MoS2/ZnIn2S4/石墨烯量子点三元异质结用于高效光催化制氢

研究背景

随着全球能源危机和环境问题的日益严峻，寻找清洁、可持续的能源解决方案变得迫在眉睫。氢气作为一种清洁能源，因其高能量密度和零碳排放的特性，被视为未来能源结构的重要组成部分。光催化水解制氢技术，利用太阳能分解水分子产生氢气，是一种理想的清洁能源生产方式。然而，高效的光催化剂是实现这一技术的关键。传统的光催化剂，如TiO2和ZnO，虽然在光催化领域得到了广泛的研究，但它们在太阳能利用效率和电荷分离效率方面存在局限。近年来，过渡金属硫化物，尤其是ZnIn2S4（ZIS），因其可调节的带隙、良好的光稳定性和低毒性而受到关注。但ZIS在光催化应用中也面临着电荷复合快、电荷分离慢等挑战。为了克服这些限制，科研人员探索了多种策略，包括元素掺杂、缺陷/空位工程、界面工程和形貌调控等。其中，构建异质结结构，通过将ZIS与其他半导体材料结合，展现出降低电荷复合率、增强光催化能力的潜力。S-scheme异质结因其独特的内建电场（IEF）和高效的电荷分离能力，被认为是提升光催化性能的有效途径。

成果简介

在这项研究中，研究人员通过简便的水热法成功制备了一种新型的三元异质结——MoS2/ZIS/GQDs（石墨烯量子点）。该异质结利用了MoS2和GQDs的强可见光吸收能力和长的载流子寿命，通过与ZIS的结合，显著提高了光吸收能力，并在500-1500 nm范围内实现了有效的电荷分离和传输。研究团队发现，这种三元异质结由于其双S-scheme界面（MoS2-ZIS和ZIS-GQDs），形成了有向的内建电场，加速了光生电子从MoS2和GQDs的导带向ZIS的价带转移，促进了与空穴的快速复合，从而提高了光催化反应的效率。

图文导读

图1 展示了MoS2/ZIS/GQDs异质结的制备过程示意图，以及通过XRD、SEM、TEM和AFM等技术对样品的晶体结构、形貌和微结构进行的表征。

图2 通过XPS技术揭示了样品的组成和化学状态，特别是Zn、In、Mo、S和C元素的高分辨谱图，以及C 1s、Mo 3d和Mo 3p的XPS谱图。

图3 展示了不同样品的光催化H2进化速率和AQE（表观量子效率），以及MoS2/ZIS/GQDs10样品的循环测试结果。

图4 展示了不同样品的UV-Vis-NIR吸收谱图、光电流响应曲线和EIS图，这些结果表明了MoS2/ZIS/GQDs10异质结在电荷分离和传输方面的优越性。

图5 通过Mott-Schottky曲线和XPS价带谱图，计算了MoS2、ZIS和GQDs的能带结构。

图6 通过UPS谱图和ESR谱图，进一步分析了异质结的电荷转移机制和光催化H2进化机理。

小结

本研究成功制备的MoS2/ZIS/GQDs三元异质结在光催化制氢方面展现出了卓越的性能，其H2产生速率达到了21.63 mmol h^-1 g^-1，AQE达到了17.60%。这一成果得益于异质结结构的优化设计，增强了光吸收能力，并通过双S-scheme界面和内建电场有效抑制了光生电荷的复合，促进了高效的催化反应。这项研究不仅为设计新型高效光催化剂提供了新的思路，也为可持续能源技术的发展带来了新的希望。随着进一步的优化和规模化应用，这种三元异质结有望在未来的清洁能源生产中发挥重要作用。

文献：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.07.144

Dual S-scheme MoS₂/ZnIn₂S₄/Graphene quantum dots ternary heterojunctions for highly efficient photocatalytic hydrogen evolution