利用太陽光和水這兩種地球上最豐富的自然資源用來生產氫氣(H2)和氧氣(O2)，對于實現碳中和具有重要意義。與某些太陽能制氫技術(如光電化學分解水)相比，光催化整體水分解無需外加偏壓或電路，從而降低了系統成本，緩解了光催化劑的腐蝕、穩定性和安全性問題。
基于半導體的光催化整體水分解是一種理想的太陽能轉化為化學能的途徑。構建復合光催化劑可以增強光收集和促進光生電荷分離。然而，較長的反應路徑和雜化體系中活性位點的隨機分布限制了其光催化活性。因此，在太陽能氫系統中開發具有高太陽能-氫(STH)效率的光催化劑仍然是一個巨大的挑戰。
近日，西北工業大學李炫華課題組設計了一種畸變誘導的陽離子位點O摻雜ZnIn2S4(ZIS) (D-O-ZIS)，以打破其相鄰原子位之間組分的均勻性，實現高性能的整體水分解。
正常情況下，O原子傾向于占據ZIS的陰離子位置，O摻雜在陽離子位置在熱力學上是不利的。D-O-ZIS通過構建一個中間的、畸變的高能結構，克服了陽離子位點O摻雜的高勢壘，有利于O原子進入陽離子位(即畸變誘發陽離子位點O摻雜)。該策略涉及熱誘導原子遷移以產生扭曲的邊緣結構(D-ZIS)，隨后用O2等離子體處理以引起陽離子位點O摻雜并產生D-O-ZIS。畸變態和陽離子位點O摻雜引起電荷重新分布，改變了O摻雜畸變區配位原子的電負性平衡。
具體而言，D-O-ZIS的局部S1-S2-O構型中的富電子S1位點和缺電子S2位點在反應過程中表現出對H2或O2的最佳吸附/脫附行為。結果表明，D-O-ZIS作為單一光催化劑表現出優異的光催化分解水性能，120 h后活性保留率約為91%，STH為0.57%。
此外，研究人員還提出了D-O-ZIS光催化劑分解水的原理：首先，D-O-ZIS吸收入射光子產生光生載流子，由于畸變誘發陽離子位點O摻雜結構的強偶極性，在內建電場的驅動下，光生電子-空穴對被有效分離，并轉移到活性S1-S2-O位點發生氧化還原反應；同時，S1和S2原子之間強烈的電荷重分布特性和較大的電荷差異激活了S2位點上穩定的析氧反應，避免了金屬硫化物中硫析出的問題；而S1位點則有利于H的吸附/解吸。因此，D-O-ZIS作為單一光催化劑實現了高穩定性、高效率的整體水分解。
Large electronegativity differences between adjacent atomic sites activate and stabilize ZnIn2S4?for efficient photocatalytic overall water splitting. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-44725-1
