大连化物所章福祥课题组：设计反式光催化剂体系的新思路

中科院大连化学物理研究所章福祥研究员团队提出了一种设计反式光催化剂体系的新思路。作者设计并合成了Mo₂N@CdS核壳光催化剂体系并与传统的Mo₂N/CdS光催化剂体系进行详细对比后发现：这种核壳结构相比传统的纳米助催化剂在光催化剂表面负载的构造而言，在光吸收，电荷分离以及表面催化等基本过程中均表现出一定的优势。

光催化分解水制氢是实现太阳能至化学能转化的重要方式之一。其能源转化效率通常由催化剂的光吸收、电荷分离以及表面催化转化等基本过程效率的乘积决定。传统的光催化体系构造方法通常是在光催化剂的表面负载纳米助催化剂，这种表面负载的助催化剂通常会优先吸光导致光催化剂吸光效率降低，因此助催化剂的负载量通常不能太大，以避免催化位点数量有限和光催化剂与助催化剂的界面电荷传输受限等问题。

最近，章福祥研究员等人提出了一种反式的光催化体系构造设计新思路（如图所示），即：将光催化剂负载在助催化剂外面，形成核壳结构。

作者以Mo₂N@CdS的核壳结构为研究模型，通过与传统构造光催化剂体系进行系统对比和讨论发现，这种反式结构的催化剂Mo₂N@CdS比传统构型催化剂Mo₂N/CdS在捕光、电荷分离和表面催化等基本过程方面均显示了一定的优势，最终显著提升了可见光催化分解水制氢半反应的性能。

具体而言，紫外-可见吸收光谱和透射光谱表明，在反式结构的Mo₂N@CdS样品中，Mo₂N的特征吸收强度比传统构型Mo₂N/CdS的更弱。当CdS的生长厚度大于350 nm时，Mo₂N的竞争性吸光效应基本能够避免，使CdS的光吸收效率显著提升。其次，两种结构样品的稳态荧光、时间分辨荧光、瞬态光电流以及电化学阻抗谱的结果均显示反式结构Mo₂N@CdS样品的电荷分离效率高于传统构型的Mo₂N/CdS样品。这主要是因为在反式结构的Mo₂N@CdS中，CdS和Mo₂N之间的界面接触位点比较丰富，有利于CdS中的光生电子向Mo₂N助催化剂表面转移。最后，由于CdS和Mo₂N之间强的电子相互作用（XPS结果显示Mo₂N@CdS中Mo-N键的结合能位置与Mo₂N相比向负的方向移动）以及CdS纳米颗粒堆积孔可能形成的空间限域效应，使得Mo₂N表面催化质子还原性能提升。

论文所报道的这种反式结构光催化剂的主要特征包括：（1）光催化剂优先于助催化剂吸光；（2）光催化剂与助催化剂之间有充分的界面接触，促进了电荷分离。这种光催化体系构造设计的新思路有望推广到更多光催化剂体系、光催化反应以及其它复合结构的构筑，如：零维光催化剂在二维助催化剂表面的负载等。

论文第一作者为大连化物所与南开大学联合培养博士生连菊红，通讯作者为章福祥研究员和李兰冬教授。

Citation：Lian J, Qi Y, Bao Y, Yin Z, Zhang Y, Yang N, Guan N, Jin S, Li L, Zhang F. Reversed configuration of photocatalysts to exhibit improved properties of basic processes compared to conventional one. Sci China Chem., 2020, 63, DOI: 10.1007/s11426-020-9752-x.

章福祥，中国科学院大连化物所长聘研究员、博导；国家杰青、优青基金获得者；英国皇家化学会会士。1999-2004年先后获南开大学学士和博士学位，随后留校任教，2007-2011年先后于巴黎第六大学和东京大学做博士后研究，2011年10月至今在中国科学院大连化学物理研究所工作。目前主要从事宽光谱捕光催化剂全分解水制氢研究，研究内容涉及宽光谱捕光光催化材料设计合成，高效光生电荷分离体系构建以及光催化表面/界面反应机制等方面。已在包括Nat. Commun., Nat. Catal., Joule, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等刊物上发表论文百余篇。担任J. Energy Chem.期刊副主编，Sci. China Chem.期刊编委等。