Bi掺杂对La2Ti2O7表面陷阱的消除作用示意图
ZnIn2S4光催化剂的全分解水机理作用示意图
氢气因其环境友好性和高能量密度被称为理想清洁能源。自从TiO2光电催化分解水的开创性工作问世以来，通过光催化分解水获取H2被广泛研究并被证明是减轻全球能源问题的有效途径。光解水可分为单分解水和全分解水两种体系，其中全分解水仅以水为原料、以太阳光为能源，没有任何牺牲剂成本，也不存在二次污染，是理想的H2获取方式。近日，我校材料与物理学院蔡晓燕老师在光催化全分解水制氢方面取得多项研究进展。
以二维层状结构的钙钛矿型La2Ti2O7为研究主体，首次确定了La2Ti2O7表面空穴捕获位点的存在，并深入探讨了这种表面缺陷对光催化全分解水性能的影响及其内在机制。研究发现沉积磷酸钴（Co-Pi）助催化剂无法抑制表面空穴捕获现象，但铋（Bi）掺杂可以有效钝化表面空穴陷阱。适量的Bi掺杂不会改变La2Ti2O7的能带结构，而Bi原子在La2Ti2O7纳米片的表面富集是表面捕获位点被消除的主要原因。过量的Bi掺杂会在La2Ti2O7的价带上方引入局域能级，作为电荷复合中心，降低催化活性。基于以上机理研究所设计的Co-Pi/Bi-La2Ti2O7/Pt异质结可以实现无牺牲剂情况下的全分解水反应。相关研究成果形成题为“Effects of Bi-dopant and co-catalysts upon hole surface trapping on La2Ti2O7 nanosheet photocatalysts in overall solar water splitting”的论文（DOI：10.1007/s12274-021-3498-5），发表在中国科技期刊卓越行动计划领军期刊Nano Research（中科院一区，影响因子8.18）。该论文以中国矿业大学为第一单位、蔡晓燕老师为第一作者，北京航空航天大学张俊英教授为通讯作者。
以二维层状结构的六方相ZnIn2S4为光敏化剂，设计并制备了一种蛋黄-蛋壳结构的NiCo2S4/ZnIn2S4/Co3O4三元复合物，能够在可见光照射下有效分解水制备H2和O2。在DFT计算指导下筛选NiCo2S4和Co3O4替代贵金属分别作为ZnIn2S4的析氢和析氧助催化剂；以MOF材料为前驱体制备蛋黄-蛋壳结构NiCo2S4，在其表面原位生长ZnIn2S4，并在最外层负载Co3O4。这种使析氢和析氧助催化剂分别定位在空心结构内外表面的方法可以减少电荷复合、抑制逆反应发生，提高ZnIn2S4的可见光催化全分解水活性。相关研究成果形成题为“Visible-light-driven water splitting by yolk-shelled ZnIn2S4-based heterostructure without noble-metal co-catalyst and sacrificial agent”的论文（DOI：10.1016/j.apcatb.2021.120391），发表在国际期刊Applied Catalysis B（中科院一区，影响因子16.68）。该论文以中国矿业大学为第一单位、蔡晓燕老师为第一作者，我校材料与物理学院毛梁老师和北航张俊英教授为共同通讯作者。
