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南师大何欢教授CEJ：共价键主导Z型有机无机杂化异质结光催化全解水

【文章信息】

共价键主导Z型有机无机杂化PDI@ZnIn2S4异质结光催化全解水

第一作者：左淦丞博士

通讯作者：何欢教授

单位：南京师范大学

【研究背景】

氢气（H2）作为一种清洁、高效能源载体备受青睐，光催化全解水（OWS）制备氢气和氧气减少了牺牲剂的使用，具有无消耗、无污染等优点，是科学界的研究热点之一，其技术关键在于开发高效稳定的光催化剂。理想的光催化剂

应该能够充分吸收太阳能光，产生光生电荷，抑制光生电荷的复合，促进界面反应。然而单一的光催化剂几乎不可能同时具备上述特点。

构建共价键主导Z型

有机无机杂化异质结是一种提升光催化剂性能的有效途径。有机无机杂化材料（OIHs）的

共价键可以为反应中电荷转移提供一条“高速公路”，

Z型异质结的构建能促进光生电子与空穴的分离，提高体系的活性与稳定性。本工作为探索高性能光催化剂提供了新思路。

【文章简介】

基于此，

南京师范大学的何欢教授团队

在国际知名期刊

Chemical Engineering Journal

上发表题为

“Covalency dominating Z-scheme perylene-dicarboximide@ZnIn2S4 organic-inorganic hybrids for overall water splitting”

的研究性文章。该工作通过在高结晶PDI纳米棒

（HC-PDI）

表面锚定ZnIn2S4纳米片，构建形成一种分层分支结构，这种独特结构可以提升体系的比表面积、孔径、孔体积和光吸收性能，为光催化反应提供基础。

同时有机材料HC-PDI与无机材料ZnIn2S4之间形成的共价键为电荷迁移提供了快速通道。此外，通过合理设计形成了(−)HC-PDI/(+)ZnIn2S4内建电场和Z型异质结（HPZ），不仅促进了光生电荷的转移和分离，而且移除了ZnIn2S4中的水氧化反应，进而提高了体系的光催化活性和稳定性。

图1. 共价键主导Z型有机无机杂化HC-PDI/ZnIn2S4异质结光催化分解水示意图

【本文要点】

要点一：共价键主导的有机无机杂化材料

图2.（a）XRD、（b）FT-IR、（c）XPS O 1s、（d-f）HRTEM和（g）STEM-HAADF

通过XRD证明两种材料的复合，利用FT-IR与XPS证明ZnIn2S4通过共价键（Zn—O）耦合在HC-PDI上，形成共价键主导的有机无机杂化材料。HRTEM可以看出HC-PDI纳米棒外表面生长了一层ZnIn2S4纳米片，证明了两种材料的紧密复合和复合材料的分层分支结构。

要点二：光催化性能

图3.（a）OWS效率；（b）稳定性实验；（c）PHG效率；EPR（d）TEMPO~h+、（e）DMPO~·O2−和（f）DMPO~·OH

最佳复合比例材料HPZ-80表现出优异的OWS效率、PHG效率和稳定性，明显优于两种单体材料以及单体材料的物理混合物。PHG效率是HC-PDI、ZnIn2S4和物理混合物的53.0倍、19.9倍和6.6倍。再通过EPR实验证明HPZ-80可以产生更多的光生空穴、超氧自由基和羟基自由，从而间接证明其优异的光催化活性。

要点三：Z型异质结构