脉冲激光沉积法制备ZnIn2S4薄膜的光阳极性能研究：电解质与光照条件对光电化学水分解的影响

为解决光电化学（PEC）水分解中高效稳定光阳极材料稀缺的问题，研究人员通过脉冲激光沉积（PLD）技术制备ZnIn2S4（ZIS）薄膜，系统探究了电解质pH与光照方向对其性能的影响。结果表明，酸性条件下光电流达2.82 mA cm?2但稳定性差，而碱性条件稳定性显著提升（仅5%衰减）。该研究为设计耐腐蚀、高效光阳极提供了新思路，发表于《Applied Surface Science》。

　　

能源危机与环境污染的加剧使得太阳能驱动的水分解制氢技术成为研究热点。然而，传统光阳极材料如TiO₂因仅吸收紫外光（占太阳光谱5%）而效率受限，且现有金属硫化物（如CdS）存在毒性或稳定性问题。ZnIn₂S₄（ZIS）因其2.17–2.70 eV的可见光响应带隙和无毒特性成为理想候选，但PLD法制备ZIS薄膜及其PEC性能的系统研究仍属空白。

为解决这一问题，波兰格但斯克理工大学的研究团队采用PLD技术在FTO基底上沉积不同厚度的ZIS薄膜（450–1025 nm），通过SEM、XRD、UV-Vis等表征证实其均匀性与可见光活性。研究创新性地对比了光照方向（光活性层侧/基底侧）和电解质pH（酸性/中性/碱性）对性能的影响，并结合XPS和电化学测试揭示了降解机制。

关键技术包括：

1. 脉冲激光沉积（PLD）制备ZIS薄膜，控制厚度（15–60分钟沉积）；
2. 三电极体系测试光电流（LSV/CA）与阻抗（EIS）；
3. 酸性条件下原位XPS分析表面化学变化；
4. 通过Mott-Schottky和Tauc图计算能带结构。

研究结果
3.1 材料表征
SEM显示PLD法制备的ZIS薄膜致密无裂纹，厚度随沉积时间增加（450–1025 nm）。UV-Vis证实其可见光吸收（带隙2.20 eV），且吸收边随厚度红移（370→410 nm）。XRD与拉曼光谱表明立方相ZIS形成，结晶度随厚度提升。

3.2 光电化学性能
中性电解质中，ZIS15光电流最高（1.26 mA cm^?2），但稳定性差（7%剩余）；酸性条件下ZIS60光电流达2.82 mA cm^?2，但300秒后衰减至0.4%。碱性环境虽光电流较低（1.28 mA cm^?2），但稳定性最佳（95%保持率）。

3.3 降解机制
酸性环境中，光生空穴氧化S^2?为SO₄^2?（六电子转移），导致结构崩塌（SEM显示300 nm孔洞）和Zn/In溶出（XPS证实元素流失）。暗态测试表明降解需光照驱动，碱性条件通过抑制硫酸盐溶解提升稳定性。

结论与意义
该研究首次阐明PLD法制备ZIS薄膜的PEC性能与降解路径：酸性条件虽能激发高光电流，但引发硫氧化链式反应；碱性环境通过稳定硫物种实现长效运行。成果发表于《Applied Surface Science》，为设计耐腐蚀光阳极提供了理论依据，并指出未来可通过保护涂层或掺杂策略平衡效率与稳定性。PLD的精密控制优势虽难以规模化，但其参数可为喷雾热解等工业方法提供参考。