磷修饰MOF衍生钴/碳纳米颗粒协同ZnIn2S4光催化剂实现高效可见光驱动水分解产氢

本研究针对传统贵金属助催化剂成本高、载流子分离效率低的问题，开发了磷修饰MOF衍生的钴/碳纳米颗粒（CoPC）作为ZnIn2S4（ZIS）的新型助催化剂。该复合体系在低功率可见光下实现2.1 mmol g?1 h?1的产氢速率，较纯ZIS提升7倍以上，为替代贵金属提供了高效、稳定的解决方案，对推动太阳能-氢能转化技术发展具有重要意义。

　　

随着全球能源危机与气候问题日益严峻，开发清洁可再生能源成为当务之急。氢能因其高燃烧值和零污染特性被视为理想替代能源，而太阳能驱动的光催化水分解技术（Photocatalytic Water Splitting）正是实现绿色制氢的关键路径。然而，传统半导体光催化剂如TiO₂、CdS等面临载流子复合率高、贵金属助催化剂（如Pt）成本昂贵等瓶颈。金属硫化物ZnIn₂S₄（ZIS）虽具有合适的带隙结构，但其单一组分的光催化效率仍受限于电荷分离效率不足。

针对这一挑战，中国科学院福建物质结构研究所的研究团队创新性地将磷修饰的MOF衍生钴/碳纳米颗粒（CoPC）与ZIS复合，构建了高效稳定的光催化体系。该研究发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，通过理论计算与实验验证相结合，证实CoPC不仅能替代贵金属助催化剂，还可通过增强界面电荷转移和提供丰富活性位点，显著提升ZIS的产氢性能。

研究团队采用溶热法合成ZIS纳米花，通过高温磷化ZIF-67制备CoPC纳米颗粒，并利用超声辅助真空过滤实现两相复合。通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段确认材料结构，结合电化学阻抗谱（EIS）和瞬态光电流响应分析电荷转移机制。

材料表征
CoPC的金属特性与sp²杂化碳骨架形成强电子耦合界面，TEM显示ZIS纳米花与CoPC碎片形成紧密接触的异质结构，XPS证实磷化后Co²⁺/Co⁰共存态的存在，为质子还原提供活性位点。

光催化性能
最优比例的ZIS-CoPC在可见光下产氢速率达2.1 mmol g^?1 h^?1，是全光谱照射下3.6 mmol g^?1 h^?1的58%，且稳定性测试表明其循环使用后活性保持率超过90%。对比实验显示，CoPC的引入使ZIS的表观量子效率（AQE）提升8.3倍。

机理分析
第一性原理计算揭示CoPC的导带位置低于ZIS，形成肖特基势垒促进电子捕获；原位红外光谱证实CoPC表面H*中间体的快速脱附是其高活性的关键。碳骨架的导电网络进一步加速电荷传输，抑制光生电子-空穴复合。

该研究开创性地将MOF衍生金属磷化物应用于光催化产氢领域，不仅证实CoPC可作为贵金属的高效替代品，更通过界面工程策略为设计非均相光催化剂提供了新思路。其开发的ZIS-CoPC复合体系在低光强条件下仍保持优异活性，对实际太阳能规模化利用具有重要指导意义。研究提出的"金属-碳协同增强"机制为后续开发新型过渡金属基助催化剂奠定了理论基础，推动光催化制氢技术向低成本、高性能方向发展。