基于Zn?In?S?的光催化剂在光合作用、环境和能源应用方面的最新进展

《Journal of Colloid and Interface Science》：Recent advances of Zn 3In 2S 6-based photocatalysts for photosynthesis, environmental and energy applications

Zn3In2S6基光催化材料通过形貌调控、 cocatalyst负载、缺陷工程及异质结构建提升性能，应用于制氢、CO2还原、污染物降解等领域，但存在电荷分离效率低及稳定性不足问题。

　　近年来，随着全球对可持续能源和环境保护的关注日益增加，光催化技术作为一种能够将太阳能转化为化学能、并用于环境修复的创新方法，得到了广泛的研究和应用。光催化反应不仅能够在温和条件下进行，还能直接利用太阳光，因此成为解决能源危机和环境污染的重要手段之一。然而，尽管光催化技术具有诸多优势，但高效光催化剂的开发仍然是一个亟需突破的核心问题。在此背景下，锌-铟-硫（Zn–In–S）三元化合物因其在可见光响应、可调带隙和优异的物理化学稳定性等方面的优势，逐渐成为研究的热点。

Zn–In–S三元化合物中，Zn?In?S?因其独特的结构和性能，吸引了众多科研人员的关注。通过Web of Science平台对相关文献的统计分析表明，截至2025年9月10日，已有120篇关于Zn?In?S?基材料的研究论文发表，显示出其在光催化领域的重要地位。这一化合物不仅具备出色的可见光吸收能力，而且相较于传统金属硫化物如硫化镉（CdS）等，具有更低的毒性和更高的稳定性，使其在可持续能源和环境修复技术中展现出广阔的应用前景。此外，Zn?In?S?的合成方法相对简单，原料易得，这为其大规模生产和实际应用提供了便利。

然而，尽管Zn?In?S?具有诸多优点，其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，光催化反应过程中，电子和空穴的分离与迁移效率较低，这会显著影响反应的整体性能。为了解决这一问题，研究者们采取了多种策略来提升Zn?In?S?基光催化剂的活性。这些策略包括：通过纳米结构调控来优化材料的形貌，从而提高光吸收效率和反应界面的活性；在催化剂表面负载共催化剂，以促进光生载流子的分离和转移；通过缺陷工程引入特定的空位或杂质，从而调节材料的电子结构和表面反应特性；以及构建异质结，通过不同材料之间的协同效应增强光催化性能。

Zn?In?S?基材料在多个光催化应用领域中表现出了良好的潜力。首先，在氢气（H?）生成方面，Zn?In?S?因其宽的可见光响应范围和良好的导电性，成为一种高效的光催化剂。研究者们通过不同的合成方法和结构调控，进一步提高了其在水裂解反应中的产氢效率。其次，在二氧化碳（CO?）还原方面，Zn?In?S?能够有效促进CO?与水的反应，生成甲醇、一氧化碳等有价值的化学品。这一过程不仅有助于减少温室气体排放，还能实现碳资源的高效利用。第三，在污染物降解方面，Zn?In?S?基材料能够高效分解有机污染物，如染料、农药等，表现出良好的环境修复能力。此外，在过氧化氢（H?O?）的光合成过程中，Zn?In?S?也显示出优异的催化活性，为绿色化学提供了新的思路。最后，在选择性有机转化方面，Zn?In?S?能够实现对特定有机分子的高效催化，这为精细化学品的合成和环境治理提供了新的技术路径。

尽管Zn?In?S?基材料在光催化领域取得了显著进展，但其实际应用仍面临诸多技术瓶颈。例如，如何进一步提高其光催化活性，如何延长其使用寿命，以及如何深入理解其反应机制，都是当前研究的重点。此外，如何在保证催化性能的同时，降低材料的制备成本，提高其在实际环境中的适应性和稳定性，也是亟待解决的问题。为了克服这些挑战，研究者们提出了多种研究方向，包括绿色合成技术、精确的缺陷工程、光腐蚀的抑制策略、可持续性设计、异质结构的优化设计、成本效益的提升以及功能设备的集成应用。

在绿色合成方面，研究者们正在探索更加环保和经济的合成方法，以减少对环境的影响并提高材料的可再生性。例如，通过水热法、溶剂热法、微波辅助合成等方法，可以实现对Zn?In?S?材料的高效制备，同时降低能耗和污染。在缺陷工程方面，通过引入特定的空位或杂质，可以有效调节材料的电子结构和表面反应活性，从而提升其光催化性能。例如，研究发现，适量的硫空位可以增强材料的可见光响应能力，提高其对特定反应物的吸附和活化能力。在光腐蚀的抑制方面，研究者们正在寻找有效的保护策略，如表面钝化、包覆处理等，以防止材料在长时间使用中发生结构破坏或性能下降。

异质结构的优化设计是提升Zn?In?S?基材料光催化性能的另一重要方向。通过构建异质结，可以实现不同材料之间的协同效应，提高电子和空穴的分离效率，从而增强光催化反应的性能。例如，将Zn?In?S?与其他半导体材料（如TiO?、g-C?N?等）结合，可以形成具有优异电子传输特性的异质结，从而提高其在多种光催化反应中的效率。此外，为了实现更高的成本效益，研究者们正在探索使用更便宜的原料和更简单的合成步骤，以降低材料的制备成本，使其在大规模应用中更具可行性。

在功能设备的集成应用方面，Zn?In?S?基材料被广泛应用于太阳能电池、水分解装置、空气净化系统等设备中。通过将Zn?In?S?与其他材料结合，可以构建具有高效光催化性能的复合材料，从而提高设备的整体性能和应用范围。例如，将Zn?In?S?作为光阳极材料，与其他电极材料结合，可以构建高效的光电化学水分解装置，从而实现太阳能到氢气的高效转换。此外，在空气净化系统中，Zn?In?S?基材料能够有效降解空气中的有害物质，如VOCs（挥发性有机化合物）、NOx（氮氧化物）等，为改善空气质量提供了新的解决方案。

总之，Zn?In?S?基材料在光催化领域展现出巨大的应用潜力。然而，为了实现其在实际环境中的广泛应用，仍需在多个方面进行深入研究和优化。这包括进一步提高其光催化活性，延长其使用寿命，降低其制备成本，以及深入理解其反应机制。通过不断探索和创新，相信Zn?In?S?基材料将在未来发挥更加重要的作用，为可持续能源和环境保护提供强有力的技术支持。