近日，《德国应用化学》发表了我组光催化领域最新研究成果：“Efficient Solar Light Harvesting CdS/Co9S8 Hollow Cubes for Z‐Scheme Photocatalytic Water Splitting”（Angew. Chem. Int. Ed. 2107, 129, 2728–2732；文章链接： http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201612551/full）。该工作由博士研究生邱博诚同学及一年级硕士研究生朱乔红同学在邢明阳教授和张金龙教授共同指导下完成。
人工光合成太阳能分解水制氢是科学界最具有挑战性的课题之一。近年来通过模拟自然界的光合作用过程构建人工Z型光催化体系受到广泛的关注。但传统Z体系的构建对太阳光的吸收主要来源于PSI与PSII半导体的本征吸收。而针对半导体能带结构等的化学改性比如掺杂，虽然可以增强其对可见光的吸收，但同时会减少电子和空穴的还原和氧化性能（图1a）。我校张金龙教授与邢明阳副教授研究团队发现，具有手性螺旋结构或介孔单晶结构等特殊微观结构的纳米材料可以利用光的“双折射”或“多次散射反射”效应，提高材料本身对光能的利用率（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 10643; Chem. Commun. 2016, 52, 1689）。
图1 （a）掺杂会引起电子和空穴还原与氧化电势的降低；（b）Z体系模拟太阳光下光解水产氢的活性及（c）稳定性；（d）实心与空心Z体系的光解水产氢示意图
最近，该研究团队在前期工作的基础上，利用Co9S8导带位置较高且电子还原电势大的优点，充分结合空心结构的“光多次反射”效应优势，首次以空心Co9S8为PSI半导体构建了纯固态“无介体”的人工光合作用杂化体系。通过将CdS量子点负载在Co9S8空心立方体的表面，一步构建了“无介体”Z型光催化体系。在没有介体的情况下，CdS与Co9S8之间强的界面作用力，促进了CdS导带电子向Co9S8价带的转移，有效抑制了光生电荷逆反应的发生，提高了催化剂的活性与稳定性。与空白Co9S8及CdS量子点相比，Z体系模拟太阳光下的产氢效率分别提高了134倍与9.1倍，稳定性更是大大增强（如图1b,c所示）。与实心结构相比，光子更容易在空心Z体系的空腔内壁发生多次反射（图1d），从而大大提高了光能的利用率，产氢效率提高了近70%。这种基于Z型反应和空腔结构提高光催化反应活性的策略有望推动可穿戴光电设备和大型太阳能设备的开发与应用。
该工作得到了邢明阳教授主持的国家重点研发计划“青年科学家”项目及国家自然科学基金等项目的资助。