太阳能驱动的水分解有望成为制备清洁氢能的可持续方法。然而，水氧化反应缓慢的动力学限制了水分解过程中析氢反应(HER)的量子效率。空穴清除剂可以加速氧化半反应和H2的产生，但这会造成空穴能量浪费，增加反应成本和碳排放量。因此，通过将H2生产与有机氧化脱氢相结合，建立高效、经济的人工光合作用途径，是实现高H2生产效率和充分利用光生电子-空穴对的理想解决方案。然而，由于光催化剂内电荷分离和迁移效率差以及活性位点和反应物分子之间的电荷转移动力学缓慢，仍然限制了该耦合反应的转化效率。
近日，中国科学技术大学熊宇杰、刘敬祥、延安大学付峰和刘琳等通过整合晶体结构和活性位点操纵，在Mo团簇修饰的Zn2In2S5光催化剂(Mo-Zn2In2S5)中诱导了复杂的全空间电场。实验结果和理论计算表明，Mo-Zn2In2S5在[001]平面方向上的内建电场强度明显放大，超过了原始的ZnIn2S4，促进了在整个体相中的光生载流子的分离。此外，原子分散的Mo团簇在光催化过程中发挥着双重作用：首先，它们通过局部表面电场(LSEF)有效地捕获和重定向光生电子；其次，这些Mo团簇在Zn2In2S5的基面上提供了高活性的位点，从而产生尖端效应，优化电子-质子转移，促进产H2速率。通过将整个电荷分离和转移过程与定向电荷级联而获得的协同效应，最终使Mo-Zn2In2S5具有优异的光催化性能。在不使用共催化剂的情况下利用Mo-Zn2In2S5进行光催化H2生产和苯甲醇(BA)的选择性氧化，H2和苯甲醛(BAD)的产率分别为34.35和45.31 mmol gcat-1 h-1，是初始Zn2In2S5催化剂的3.83和4.15倍。同时，Mo-Zn2In2S5在365 nm时的H2和BAD产量的最高表观量子产率(AQY)分别为19.73%和23.85%。此外，Mo-Zn2In2S5在四个循环反应过程中仍保持较高的BAD选择性，且反应后材料的组成和形貌几乎未发生变化。总的来说，该项研究介绍了一种开创性的协同策略，利用全空间电场促进光生载流子分离和转移，为设计和开发高效的光催化剂提供了思路。Full-space electric field in Mo-decorated Zn2In2S5 polarization photocatalyst for oriented charge flow and efficient hydrogen production. Advanced Materials, 2024. DOI: 10.1002/adma.202405060
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