利用太阳能光催化制氢是当前最具前景的“绿氢”制备技术之一。其中，构建具有快速电荷转移能力、广泛的太阳光响应能力的纳米复合光催化剂，是实现太阳能到化学能高效转化的必经之路。目前关于高效、耐用、无毒的光解水析氢反应(HER)催化剂的研究仍然具有很大挑战。

鉴于此，内蒙古工业大学白杰教授和东北师范大学王恒国教授在期刊《Journal of Materials Chemistry A》上，发表了最新研究成果“Modulating and optimizing 2D/2D Fe-Ni2P/ZnIn2S4 with S vacancy through surface engineering for efficient photocatalytic H2 evolution”。研究团队通过溶剂热自组装技术巧妙地设计并获得了2D/2D Fe-Ni2P/ZnIn2S4-Vs材料。其中，S缺陷不仅可以作为电子陷阱富集电子延长载流子寿命，而且丰富的S缺陷作为P原子的靶点有利于Fe-Ni2P在ZIS-Vs表面原位生长，两相之间紧密的界面有利于电荷定向转移。此外，模拟计算结果证实，Fe掺杂取代部分Ni位点，在改变Ni的局部配位环境的同时，其d带中心位置也进一步得到优化，降低析氢反应中间态的吉布斯自由能，解决了ZnIn2S4光催化材料载流子复合严重的问题，有效提升析氢反应速率。

图1：2D/2D Fe-Ni2P/ZnIn2S4-Vs材料的结构模型与制备过程示意图。

   图1a-c建立了不同位置(包括Zn、In和Ni) Fe掺杂Fe-Ni2P/ZnIn2S4-Vs的各种三维结构模型。DFT计算结果显示，Fe-Ni2P/ZnIn2S4-Vs的最佳取代位是Ni原子，其形成能最低。对于复合材料来说，Fe极有可能取代Ni2P中的Ni原子，并掺杂到Ni2P晶格中。图1d显示Fe-Ni2P/ZnIn2S4-Vs材料是通过连续溶剂热工艺获得的，包括超薄ZIS-Vs的制备和在ZIS-Vs纳米片上原位生长Fe掺杂Ni2P。

图2：2D/2D Fe-Ni2P/ZnIn2S4-Vs材料的结构表征。

SEM和TEM结果表明Ni2P是直接生长并粘附在ZIS纳米片上。晶格间距为d = 0.32 nm的清晰晶格条纹对应于(102)平面ZnIn2S4相。此外，图2c中圆圈内的每个阴影区域都可以观察到明显的晶格错位，说明溶剂热时间的缩短使样品内部产生缺陷结构。

图3：2D/2D Fe-Ni2P/ZnIn2S4-Vs材料的产氢性能。

图4：2D/2D Fe-Ni2P/ZnIn2S4-Vs材料的产氢机理研究。

图5a-b为Fe-Ni2P/ZIS-Vs材料的电荷密度差分图，绿色区域为电子增益区，黄色区域为电子损失区。ZIS-Vs表面主要为黄色区域，而Fe-Ni2P一侧主要为绿色区域，说明复合材料在Fe-Ni2P一侧具有较强的电子富集能力。纵剖面图像更直观地显示了电子沿接触界面从ZIS-Vs向Fe-Ni2P的迁移趋势。

∆GH*计算结果说明了Fe-Ni2P/ZIS-Vs具有最佳H吸附/解吸能力。首先，在ZIS-Vs上负载Ni2P可以建立内部电场，有效增强电荷分离，降低∆GH*，从而促进HER。上述研究表明，S空位、助催化剂Ni2P和Fe掺杂能有效促进载流子转移，使d带中心下移，加速水分子的解离，降低析氢中间体的吸附能，从根本上提高催化剂的HER性能。

图5：DFT计算结果与产氢机理示意图。

白杰教授团队近年来致力于开发集结构设计-功能协同于一体的光催化材料，已在国际知名期刊陆续发表多项研究成果，如Applied Surface Science, 2022, 586:152711; International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47, 28410和Fuel, 2022, 328, 125205等。这一系列研究成果为光催化制备“绿氢”材料的研究设计提供了新的思路，在太阳能资源转化研究领域具有重要意义。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D3TA02519E

人物简介：

白杰，内蒙古工业大学化工学院教授，博士生导师，院长。内蒙古自治区工业催化重点实验室主任，内蒙古新型碳纤维基纳米复合催化材料开发创新人才团队负责人，内蒙古自治区“草原英才”，内蒙古教育厅青年科技英才-领军人才。

长期从事能源化工及催化新材料等方面的研究，重点围绕煤制烯烃下游产品开发、二氧化碳转化与利用、光/电解水制氢中的关键科学问题，从反应机理、催化剂设计与调控制备以及工艺条件优化等方面开展系统工作。以热、光和电催化剂等表/界面性质敏感的功能性材料为研究着眼点，在电子层面上研究材料的物理、化学行为与规律，建立材料微观结构与性能之间的构效关系。理论计算结合原位表征技术从理论上研究催化反应机理，并以此为指导进行新型催化材料的构筑。

多年来在静电纺丝制备新型纳米催化材料化学等领域取得了系列国际水平原创性成果。相关研究和学术观点在国际著名期刊Chem. Eng. J、J Catal.、Org. Chem. Front.、Inorg. Chem. Front.、ACS Appl. Mater. & Inter、JMCA等期刊上以第一或通讯作者刊发表论文200余篇，SCI他引总数3000余次；主持承担国家自然科学基金项目3项，内蒙古自然科学基金项目、科技攻关项目等十余项；获得国家授权发明专利10余项；担任国内外多家杂志审稿人。