材料与能源学院柳清菊团队缺陷调控提升硫化物光催化性能的研究取得新进展

近日，云南大学材料与能源学院、云南省微纳材料与技术重点实验室柳清菊教授团队在国际著名学术期刊ACS Catalysis(IF=13.08)发表研究论文“Synergistic Effect of the Surface Vacancy Defects for Promoting Photocatalytic Stability and Activity of ZnS Nanoparticles”(https://doi.org/10.1021/acscatal.1c03476)，云南大学为第一作者单位，云南大学材料与能源学院博士研究生肖斌和吕天平为共同第一作者，柳清菊教授和张裕敏副研究员为共同通讯作者。

氢能是一种清洁无污染的可再生能源，有望在未来取得大规模实际应用，因而受到世界范围的广泛关注。采用光催化技术，利用太阳能驱动水分解制氢是一种极具发展前途的将太阳能转化为氢能的新方法，可为“碳达峰、碳中和”目标的顺利实现做出实质贡献。半导体光催化剂是光催化分解水制氢的核心，其活性、稳定性和成本是决定其能否实际应用的关键。金属硫化物具有良好的可见光吸收性能，但易发生光腐蚀，且光催化活性尚待提高。为此，柳清菊教授团队以一种简单方法在常温下将不同性质的阳离子和阴离子两种空位缺陷同时整合在纳米ZnS表面，研制出一种高活性、高稳定性且低成本的纳米光催化剂(图1)。

图1 不同缺陷的微观结构、光解水产氢原理及产氢性能

通过对表面缺陷浓度进行调控，使ZnS表面的原子充分暴露，有效激活了本征原子活性。丰富的表面空位缺陷不仅可调节能带结构，还可有效提高光生载流子的分离，大幅提高了光催化产氢率(图2)。更重要的是，配位不饱和的Zn和S原子之间的强烈相互作用以及Zn空位的引入使价带位置上移，削弱了光生空穴的氧化能力，抑制了光腐蚀。因此，不同性质的表面空位缺陷之间相互协作，既保证了ZnS的高催化活性，也提高了ZnS的抗光腐蚀能力。该研究深入诠释了空位缺陷效应对ZnS光催化性能及稳定性的影响机理，为低成本、高效、高稳定光催化剂的设计提供了新的思路。

图2 缺陷结构及缺陷处不饱和配位原子间的相互作用

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