近日，我校材料与化学学院廉孜超特聘教授等在国际化学领域顶级期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上发表了题为“红外光诱导异常缺陷参与的等离子体热电子转移增强光催化制氢”（Infrared Light-induced Anomalous Defect-mediated Plasmonic Hot Electron Transfer for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution）的重要成果，廉孜超特聘教授为第一作者，上海电力大学校长李和兴教授、美国亚利桑那大学王卫教授、材化学院李贵生教授和廉孜超特聘教授为通讯作者。上海理工大学为第一通讯单位。
高效利用可持续的太阳能是能源转型和生产中备受关注的领域，其中，红外（IR）区域占太阳能的一半以上，被认为是太阳能转换的重要能源，且很大一部分的红外区域尚未被利用。因此，廉孜超教授团队围绕红外的能源转换领域展开研究，设计出有效的红外光催化系统，并合成了一种新的核壳结构（CSNCs）可实现红外光催化分解水为氢气能源，生产氢燃料提供了一种新的途径，为石油、化工、电子、冶金、航天、轻工业等领域提供高效利用的氢能源。
在现有研究中，科研工作者们发现光催化剂表现出快速的光生载流子复合速率、禁带宽度窄的半导体的毒性高和光生载流子转移机制不清楚等瓶颈，极大限制了太阳能-燃料转换系统的实际应用。廉孜超教授团队创新地发现，通过硫化铜（CuS）和其他半导体受体相宽带隙半导体硫化锌（ZnS）的构建异质结构纳米晶体（HNCs），在红外光（大于800 nm）照射下，硫化铜会被激发产生等离激元电子和空穴，热电子转移到硫化锌的硫空位上用于光催化制氢，而光生空穴转移不到硫化锌的价带位置。团队研究合成了CuS@ZnS核壳结构，在红外光区域具有独特局域表面等离子体共振特性的纳米晶，在光催化产氢中表现出优异的光催化性能。与传统的肖特基能垒界面处的直接等离子体电子或空穴转移途径相比，具有缺陷位参与的热电子转移的CuS@ZnS核壳结构显示出独特的电荷转移机制。通过飞秒瞬态吸收光谱技术和电子顺磁共振测量，阐明了“等离子体诱导缺陷参与的载流子转移”（PIDCT）的机理。同时，热电子转移到缺陷位的等离子体诱导缺陷参与的载流子转移路径具有高的量子效率（29.2%）使得CuS@ZnS的析氢活性（HER）速率达到26.9 μmol h−1 g−1，显著高于纯的CuS（0.4 μmol h−1 g−1）和CuS/ZnS核/卫星（15.6 μmol h–1 g−1）（如图2所示）。此外，CuS@ZnS在近红外光照射下表现出优异的稳定性。飞秒瞬态吸收光谱和电子顺磁共振测量为支持等离子体诱导缺陷参与的载流子转移机制提供了直接证据。此研究为有效探测太阳光提供一个新的方向，通过实际应用中的缺陷工程来实现光燃料转换系统。
杂志封面截图
红外光诱导异常缺陷参与的等离子体热载流子转移（PIDCT）系统
论文原理图
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文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c03990
课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/Lian_Zichao
供稿：材化学院
