中大新聞網訊（通訊員羅惠霞）根據已有的研究，設計半導體納米材料的雙殼中空結構是提高光利用率、調節電子結構和化學鍵的空間相互作用、加速界面接觸、提供更多催化反應位點和促進有效載流子分離和轉移的最有效策略之一。受強界面電場的啟發，中山大學材料科學與工程學院羅惠霞教授課題組提出了S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂“雙殼納米盒”催化劑的設計，將2H-MoTe₂涂覆在S_v-In₂S₃單殼納米盒上，形成富含S-空位的Mo?S橋鍵結構。在強大的內置電場(IEF)和Mo?S橋鍵的作用下，“S”-型電荷分離得到顯著的提高，在380 nm處，內量子效率可達94.01%。

圖1. Sv-In2S3@2H-MoTe2(5)中Mo?S鍵耦合調節CO2RR的示意圖

S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂(5)的中空雙殼層異質結構擴大了比表面積，縮短了電荷轉移距離，增強了傳質能力，提高了光吸收能力，因而具有很強的光催化CO₂RR活性。更重要的是，S-空穴能促進CO₂的活化，降低形成*OCHO的能壘，促進電荷轉移到*OCHO上，從而促進CO₂RR生成CO。最重要的是，豐富的界面異質結構形成了Mo?S橋鍵位點，導致了界面上的電荷差。電荷差導致在界面上形成Mo的極化位點，從而抑制了相鄰中間產物的靜電排斥，促進了CH₄的形成。這項工作可以通過光的利用、界面接觸和反應位點，為開發用于大規模能源轉換應用的優秀光催化劑開辟道路。

圖2. (a) S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂(5)的原子模型；(b) S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂(5)界面上CO₂RR過程中吸附原子結構示意圖；(c) S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂(5)、S_v-In₂S₃和In₂S₃在1.23 V電壓下不同活性位點上CO₂RR的吉布斯能和(c)能量變化；(e) S_v-In₂S₃@2H-MoTe₂(5)、(f) 2H-MoTe₂和(g) S_v-In₂S₃的態密度。

該成果日前以“Understanding Bridging Sites and Accelerating Quantum Efficiency for Photocatalytic CO₂ Reduction”為題，作為主編特邀稿件發表在Nano-Micro Letters上。中山大學材料科學與工程學院博士研究生王康旺為第一作者，中山大學材料科學與工程學院羅惠霞教授和環境科學與工程學院嚴凱教授為共同通訊作者。這項工作得到了中國自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、廣東省重點研發計劃的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01221-3