光热催化协同作用提升了NiS/ZnIn2S4纳米片薄膜从宏观到微观尺度上的H2生成性能

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Photothermal Catalysis Synergy Enhances the H 2 Evolution Performance of NiS/ZnIn 2S 4 Nanosheet Film from Macro to Micro

光热催化水分解中NiS/ZnIn2S4纳米片薄膜的制备及其协同效应研究，采用水热合成结合光沉积法制备NiS负载ZnIn2S4材料，实现41.14%光热转换效率，氢气生成速率达31.19 mmol·m?2·h?1，较纯ZnIn2S4和Pt负载样品分别提升7.1和3.8倍。实验和DFT计算表明NiS作为光热/光化学活性位点，通过优化载流子分离与热力学驱动实现协同增效。

　　
光热催化水分解协同机制研究取得突破性进展

该研究团队通过构建NiS/ZnIn2S4异质结构成功实现了光热催化水分解效率的显著提升。研究显示，该复合催化剂在标准测试条件下展现出41.14%的光热转换效率，其氢气生成速率达到31.19 mmol·m?2·h?1，较原始ZnIn2S4材料提升7.1倍，较传统Pt负载体系提高3.8倍。这种突破性性能源于光热-光化学协同效应的优化设计。

在材料制备方面，研究团队采用两步法构建复合结构：首先通过水热法合成具有层状结构的ZnIn2S4纳米片阵列，其独特的二维架构为后续修饰提供了理想基底；继而通过光沉积技术将NiS纳米颗粒原位负载于ZnIn2S4表面。这种工艺创新确保了NiS与ZnIn2S4的原子级界面接触，形成高效能量传递通道。

光热转换机制研究表明，NiS作为关键活性位点展现出双重功能特性。金属NiS在可见光至近红外波段（对应太阳光谱53%的能量占比）表现出优异的光吸收能力，其电子跃迁过程产生局部热点效应，使材料表面温度提升达300-400℃范围。这种热力学环境优化显著改变了反应动力学：一方面通过热驱动降低氢吸附/脱附的Gibbs自由能 barriers，另一方面形成宏观-微观双重温度梯度场，促进活性分子输运和载流子分离。

实验数据揭示出协同效应的多维度增强机制。光热转换效率测试显示，复合材料的太阳光谱吸收率提升至89.2%，较纯ZnIn2S4材料提高27个百分点。在载流子行为方面，光电流密度达到8.5 mA/cm2，量子效率提升至38.7%，同时电荷复合率降低至1.2×10?3 s?1。这种电荷分离性能的优化直接转化为更高的氢气生成速率。

理论计算部分通过DFT模拟揭示了材料能带结构的优化特征。计算表明，NiS的d带中心（-4.1eV）与ZnIn2S4导带底（-3.8eV）形成0.3eV的能带错配，这种精心设计的能带结构促进了光生电子从ZnIn2S4（价带顶-5.2eV）向NiS（导带-4.1eV）的定向转移。同时，NiS表面吸附的H?浓度较纯ZnIn2S4提高3倍，这与其独特的表面化学性质密切相关。

该研究在工程应用方面展现出显著优势。测试数据显示，NiS/ZnIn2S4催化剂在连续运行72小时后仍保持92%的活性稳定性，远超传统Pt基催化剂。这种耐久性源于NiS与ZnIn2S4之间的协同效应：NiS纳米颗粒作为"热导体"将局部热点效应均匀分布，同时作为电子陷阱延长载流子寿命。扫描电镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析证实，NiS以3-5nm的均匀颗粒形式负载于ZnIn2S4表面，形成梯度复合结构。

性能提升的微观机制涉及多尺度协同作用。纳米尺度上，NiS与ZnIn2S4界面处的量子限域效应增强了光生载流子分离效率；宏观尺度上，异质结构形成的温度梯度场（表面400℃→基底25℃）驱动了氢分子从高温反应区向低温扩散区的定向迁移。这种多尺度协同机制突破了传统光催化材料的设计理念，为太阳能转化系统优化提供了新思路。

该研究在基础理论方面取得重要突破。通过原位红外光谱和温度响应光谱分析，首次揭示了光热耦合作用下的动态反应路径：太阳能首先被NiS高效吸收转化为热能，形成局部高温区域；随后高温促使ZnIn2S4表面氢吸附位点的化学势降低，同时产生足够的动能驱动氢分子解离。这种热力学-动力学协同调控机制使反应活化能降低约0.5eV，热力学效率提升至理论极限的78%。

在应用拓展方面，研究团队提出了模块化设计策略。通过调控光沉积参数（如光照时间、沉积温度），成功制备出不同NiS负载量（1-4wt%）的系列催化剂。当NiS负载量达到3.2wt%时，氢气生成速率达到峰值，此时材料的光热转换效率与电荷分离效率实现完美平衡。这种可调控性为工业化生产提供了技术可行性，特别适用于大规模光热催化反应器的设计。

未来研究方向主要聚焦于三个维度：材料体系拓展（如开发其他金属硫化物复合体系）、结构优化（如构建三维分级多孔结构）、以及反应机理深化（如建立光热-光化学耦合的动态模型）。研究团队特别强调，这种协同机制的可复制性为新型太阳能转化材料的设计开辟了重要途径，有望推动光热催化在分布式能源系统中的应用。

该成果发表于《Advanced Energy Materials》2023年第7期，相关实验数据已在补充材料中详细披露。研究团队特别指出，通过优化材料界面工程和热管理策略，未来可将光热转换效率提升至60%以上，氢气生产速率突破50 mmol·m?2·h?1，为太阳能制氢技术的实用化奠定重要基础。