基于生物质甲壳素衍生的三维碳基底负载ZnIn2 S4 纳米片自支撑高效光催化剂用于水分解

针对传统ZnIn2 S4 光催化剂载流子复合率高、稳定性差的问题，研究人员通过将二维ZnIn2 S4 纳米片生长于甲壳素衍生的氮掺杂碳(Chitin-NC)基底上，构建了三维互联网络异质结。该自支撑复合材料在可见光下实现了0.665 mmol g?1 h?1 的产氢速率，且循环稳定性优异，为低成本可持续光催化水分解提供了新策略。

　　

随着化石能源过度消耗引发的环境问题日益严峻，开发基于太阳能的光催化水分解制氢技术成为研究热点。金属硫化物ZnIn₂
S₄
因其2.34-2.48eV的适宜带隙和可见光响应特性被视为理想光催化剂，但粉末状ZnIn₂
S₄
存在载流子复合快、表面动力学缓慢、易光腐蚀等问题。虽然石墨烯等碳材料能提升其性能，但高昂成本制约实际应用。同时，传统粉末催化剂还存在分散困难、回收利用率低等工程化瓶颈。

深圳职业技术学院的研究团队创新性地利用海洋生物质甲壳素为前驱体，通过冷冻干燥和高温碳化制备出三维网络状氮掺杂碳(Chitin-NC)基底，并采用原位生长技术在其表面构建ZnIn₂
S₄
纳米片异质结。该自支撑Chitin-NC/ZnIn₂
S₄
复合材料不仅解决了催化剂回收难题，更通过独特的二维/三维结构设计显著提升了光催化性能。相关成果发表在《Biomass and Bioenergy》上。

关键技术包括：1) 甲壳素溶解-交联-冷冻干燥制备三维气凝胶；2) 氩气氛围下800℃碳化获得Chitin-NC基底；3) 水热法在基底上原位生长ZnIn₂
S₄
纳米片；4) 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和电化学阻抗谱(EIS)表征光响应特性；5) 气相色谱(GC)定量检测产氢量。

结果与讨论
材料表征：扫描电镜显示Chitin-NC呈现相互连接的二维片层组装的三维多孔结构，ZnIn₂
S₄
纳米片均匀生长形成紧密异质界面。X射线光电子能谱(XPS)证实N元素成功掺杂到碳骨架中。

光催化性能：优化后的复合材料在可见光下产氢速率达0.665 mmol g^?1
h^?1
，较纯ZnIn₂
S₄
提升近3倍。瞬态光电流响应和荧光光谱表明，Chitin-NC的引入显著抑制了电子-空穴复合。

机理分析：能带结构测试证实形成了Z型异质结，Chitin-NC作为电子受体加速电荷分离。三维互联结构既提供大量活性位点，又促进反应物传质。

结论与意义
该研究开创性地将生物质衍生碳与金属硫化物结合，构建的自支撑Chitin-NC/ZnIn₂
S₄
光催化剂兼具低成本与高性能优势：1) 甲壳素前驱体的氮自掺杂特性增强了碳基底导电性；2) 三维结构解决了粉末催化剂回收难题；3) 异质结设计使可见光利用率达43.2%。这项工作为发展可持续光催化体系提供了新范式，其"生物质转化-结构设计-性能优化"的研究思路对新型能源材料开发具有重要启示。