氢气具有很高的能量容量(120.0 MJ kg-1)，并且燃烧时不释放有毒气体，被认为是传统化石燃料的完美替代品。利用可再生能源驱动的水分解制氢被认为是解决环境污染问题和全球能源危机的最有吸引力的方法。虽然地球上97.0%的水资源是海水，而稀缺淡水仅占3.0%，同时目前报道的太阳直接驱动的析氢反应(HER)大多是在高纯水中进行。因此，迫切需要开发一种新型的光催化体系来实现高效催化海水制取H2，但在稳定性和H2收率方面仍然是一个巨大的挑战。近日，天津大学于涛和中山大学胡卓锋等采用原位光还原技术将Cu纳米团簇(CuNCs)锚定在CdS与不饱和边缘硫(S)的同系结表面(Cu0.5/CdS-H)，促进了光催化剂在碱性海水中的稳定性和HER活性。实验结果表明，在420 nm光照射下，Cu0.5/CdS-H光催化剂催化碱性海水产氢的速率为15.5 mmol g-1 h-1，表观量子产率(AQY)为11.0%。此外，Cu0.5/CdS-H在碱性海水中连续反应10.0小时后仍保持较高活性，且反应前后材料的结构和元素价态没有发生显著变化，表明Cu0.5/CdS-H具有良好的化学稳定性。基于系统分析和理论计算，研究人员提出了Cu0.5/CdS-H上光催化析氢的反应机理：由于ZB-CdS-H和WZ-CdS-H的费米能级不同，在交变相界面形成了弯曲能带和内部静电场。在可见光照射下，光生电子从价带(VB)转移到交错排列的CdS-H的导带(CB)；同时，在内部静电场的驱动下，WZ-CdS-H的CB处的光生电子迁移到ZB-CdS-H的CB，而ZB-CdS-H的VB处的光生空穴迁移到WZ-CdS-H的VB。此外，ZB-CdS-H中边缘不饱和S原子与适量的Cu原子形成Cu-S键，作为电子输运通道；在这种连续电场通道的激发下，相界面上的电子聚集导致了Cu2+的吸附和CuNCs的形成。CuNCs既是光生电子的捕获位点，又是*H物种的吸附位点，可以将*H物种还原为H2。更重要的是，光热效应加速了体系中的反应动力学，促进了电子从CdS-H向Cu NCs的定向迁移。综上，该项研究为合理设计应用于碱性海水中的高稳定性和高性能的光催化剂提供了思路。Photothermal effect of Cu NCs on CdS homojunction boosting hydrogen evolution in alkaline seawater. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202405527
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