非镉量子点磷化铟光催化制氢实现突破

氢元素是宇宙中丰度最高的元素，极具开发价值。氢能是清洁可再生的高能量密度燃料，利用太阳能分解水制氢是实现氢能经济体最理想的途径。在太阳能制氢的研究中，开发新型的光催化制氢材料至关重要。量子点是一类尺寸小于其对应波尔半径的材料，其带隙可调、摩尔消光系数大、表面易修饰性的特点有助于光催化制氢体系的构筑。目前一系列量子点人工光合成制氢体系，特别是含镉量子点（如CdS QDs和CdSe QDs）体系已展示出优秀的催化活性和稳定性，然而二元非镉系量子点光催化制氢的潜力有待开发。

图1. 表面为硫离子的InP量子点用于人工光合成制氢的示意图

近日，中国科学院理化技术研究所的吴骊珠研究员、西南石油大学的周莹教授与瑞士苏黎世大学的G. R. Patzke等三个课题组开展合作研究，创新性地将InP二元量子点引入人工光合成制氢体系。他们结合最新的合成策略，成功制备了一系列形貌规整且具有不同带隙的InP量子点。这一系列InP量子点在抗坏血酸和镍离子的协助下实现了高效的光催化制氢，催化效率可与CdSe量子点相媲美。为了进一步提升光催化制氢的效率，他们在InP量子点的表面覆盖了ZnS，减小了量子点的表面缺陷。在最优条件下，量子点制氢的催化转化数高达128,000，525 nm光照的内量子效率高达31%。

图2. InP及InP/ZnS量子点光催化产氢实验的数据图

该团队成员进一步结合量子点表面易修饰的特性制备了一系列有机和无机配体的InP/ZnS量子点，发现表面配体为无机硫离子的量子点光催化制氢活性显著提高。通过发光光谱和飞秒尺度瞬态吸收光谱等表征手段，他们从机理上证实量子点表面的硫离子配体作为量子点空穴传递的中继体，有效促进了体系的电荷分离和后续的催化过程。

图3. 无机硫离子修饰与一系列其他配体修饰的InP/ZnS量子点产氢性能的对比及光物理性能表征的结果

该工作展示了二元非镉量子点InP人工光合成制氢体系优异的性能，相关结果发表在Nature Communications 上，文章的第一作者为于姗博士和樊祥冰博士。

该论文作者为：Shan Yu, Xiang-Bing Fan, Xian Wang, Jingguo Li, Qian Zhang, Andong Xia, Shiqian Wei, Li-Zhu Wu, Ying Zhou & Greta R. Patzke

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Efficient photocatalytic hydrogen evolution with ligand engineered all-inorganic InP and InP/ZnS colloidal quantum dots

Nat. Commun., 2018, 9, 4009, DOI: 10.1038/s41467-018-06294-y

导师介绍

吴骊珠，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师，超分子光化学实验室主任；1990年毕业于兰州大学化学系，获理学学士学位；同年推免进入中国科学院感光化学研究所攻读研究生，师从佟振合院士；1995年获得理学博士学位，留所工作至今；长期从事有机光化学的研究，在超分子体系中光诱导能量传递、电子转移和化学转换等领域，特别在光化学合成反应和太阳能光催化分解水制氢的研究中取得了系统性创新结果；主持了多项国家自然科学基金重点及面上项目，参与国家“973”重点基础研究发展规划和中科院知识创新工程等；2001年获得国家自然科学“基金杰出青年基金”资助；作为第二完成人，获2005年度国家自然科学二等奖一项；先后入选“新世纪百千万人才工程国家级人选”、“第十届中国青年科技奖”、“第七届中国青年女科学家奖”、“中国化学会-物理有机化学奖”、“第三届中国化学会-赢创化学创新奖”等；迄今为止以通讯作者身份在国内外核心刊物发表论文200余篇，其中包括Nat. Rev. Chem.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Sci. 等国际化学/材料类顶级期刊；获授权专利四十余项；在国内外多个重要学术期刊编委会任职，其中包括J. Mater. Chem. A 副主编等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/15665

周莹，西南石油大学教授、博士生导师；2004年获中南大学学士学位，2007年获中国科学院上海光学精密机械研究所硕士学位，2010年获瑞士苏黎世大学博士学位，德国洪堡学者（2014年）；主要研究领域为油气资源清洁利用、污染治理材料的开发和基于同步辐射光源的原位表征技术研究，以通讯或第一作者在相关领域发表SCI论文73余篇，包括Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Catal.、Small 等国际著名学术期刊上，出版英文专著1部；入选四川省“百人计划”特聘专家（2012年）、四川省有突出贡献的优秀专家（2018年），获得霍英东教育基金会青年教师奖二等奖（2018年）、侯德榜化工科学技术青年奖（2018年）、四川省青年科技奖（2017年）等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/26776

于姗博士，2009年毕业于兰州大学化学化工学院，获理学学士学位；推免进入中国科学院理化技术研究所攻读研究生，师从吴骊珠研究员，2014年获理学博士学位，2016-2017年在苏黎世大学从事博士后研究，现为西南石油大学讲师。

樊祥冰博士，2012年毕业于武汉大学化学系，获理学学士学位；推免进入中国科学院理化技术研究所攻读研究生，师从吴骊珠研究员，2018年获理学博士学位。