通过β-NiS/TiO?-x欧姆结增强光催化整体水分解性能

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Boosting photocatalytic overall water splitting by β-NiS/TiO 2-x Ohmic junction

β-NiS/TiO?-x复合材料通过界面欧姆接触实现高效光催化整体水裂解，量子效率达9.13%，STH效率0.44%，产率比纯TiO?-x高9.5倍。DFT计算和KPFM证实界面欧姆接触诱导强内电场，显著提升电荷分离效率6.2倍。

　　本研究聚焦于通过构建界面欧姆接触（Ohmic junction）来提高二维/二维β-NiS/TiO???复合材料在光催化整体水分解中的性能。光催化水分解是一种将太阳能转化为化学燃料（如氢气和氧气）的潜在途径，具有重要的应用前景。然而，传统的光催化剂往往面临诸如光生载流子复合效率低、光响应范围有限、以及对牺牲剂或贵金属共催化剂的依赖等问题。因此，探索能够有效提升载流子分离效率、降低电荷转移阻力、并实现高效稳定的光催化水分解体系，成为当前研究的热点。

在本研究中，研究人员采用两步法合成了2D/2D β-NiS/TiO???复合材料，命名为NiNF/TiONF。该复合材料不仅具有显著增强的比表面积，还通过合理的结构设计实现了高效的载流子分离和迁移。更重要的是，该材料在没有牺牲剂的情况下，表现出优异的光催化性能，其氢气和氧气的产率分别达到379.6和175.8 μmol·g?1·h?1，远超传统TiO???纳米片的性能水平。此外，该复合材料在380 nm波长下的表观量子效率（AQY）达到9.13%，其太阳能到氢气（STH）的转换效率更是高达0.44%，这些数值均显著优于现有基于TiO?的光催化系统。

为了进一步验证界面欧姆接触在提升光催化性能中的作用，研究人员利用密度泛函理论（DFT）计算和开尔文探针力显微镜（KPFM）技术，系统性地分析了NiNF/TiONF界面的特性。研究发现，欧姆接触能够诱导界面形成一个向下的能带弯曲，从而有效降低光生电子的迁移势垒，提高其迁移效率。相比之下，肖特基接触则会导致能带向上弯曲，增加电子迁移的阻力，进而影响整体的催化效率。通过这种界面设计，研究人员成功构建了一个低电阻、高效率的电子转移通道，显著提升了光催化反应的性能。

在光催化水分解过程中，载流子的分离和迁移是决定反应效率的关键因素。传统的TiO???纳米片由于其宽禁带（约3.0–3.3 eV）和较高的光生载流子复合率，难以满足高效水分解的需求。而本研究中的NiNF/TiONF复合材料，通过引入β-NiS纳米片，不仅拓宽了材料的光响应范围，还显著提高了其光生载流子的分离效率。这一结果表明，合理的界面设计对于提升光催化性能具有至关重要的作用。此外，研究还发现，NiS作为一种过渡金属硫化物，其具有良好的电化学性能和高电导率，能够作为高效的共催化剂，为水分解反应提供更多的活性位点，并降低反应的活化能。

为了更深入地理解NiNF/TiONF复合材料的性能优势，研究人员对材料的结构和性质进行了系统的表征。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等技术，可以观察到NiNF与TiONF之间的均匀分布和良好的界面接触。同时，X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）分析进一步证实了材料的化学组成和晶体结构。这些表征手段不仅揭示了材料的微观结构，还为理解其性能提供了坚实的实验基础。

在电化学性能测试方面，研究人员利用循环伏安法（CV）和计时电流法（CA）对NiNF/TiONF复合材料进行了详细分析。实验结果表明，该材料在光催化反应中表现出显著的电流响应和低的电荷转移阻力。这些特性使得材料在光照条件下能够快速有效地将光生电子和空穴分别输送到反应位点，从而促进水分解反应的进行。此外，研究人员还通过原位光致发光光谱（PL）和时间分辨光致发光光谱（TRPL）等技术，分析了材料在光照下的载流子动力学行为，进一步验证了界面欧姆接触在提升载流子分离效率方面的优势。

在实际应用测试中，研究人员在模拟太阳光照射下对NiNF/TiONF复合材料进行了光催化水分解实验。实验结果表明，该材料在没有牺牲剂的情况下，能够稳定地产生氢气和氧气，其产率分别达到379.6和175.8 μmol·g?1·h?1，远超传统TiO???纳米片的性能。这一结果不仅展示了该材料在光催化水分解中的高效性，还表明其在实际应用中具有良好的稳定性和可重复性。此外，研究人员还对材料的长期稳定性进行了评估，发现其在连续光照条件下仍能保持较高的催化活性，显示出良好的应用潜力。

通过本研究，研究人员不仅揭示了欧姆接触在光催化水分解中的关键作用，还为设计高性能的光催化剂提供了新的思路和方法。传统的光催化系统往往依赖于贵金属共催化剂或牺牲剂来提高反应效率，而本研究中的NiNF/TiONF复合材料则通过构建欧姆接触，实现了无需外部辅助的高效水分解。这种设计策略不仅降低了材料的成本，还提高了系统的可持续性和环境友好性，为未来光催化水分解技术的发展提供了重要的理论和技术支持。

本研究的创新点在于，首次系统性地将欧姆接触应用于光催化水分解领域，并通过多种实验手段验证了其在提升反应效率方面的显著优势。此外，研究人员还通过DFT计算和KPFM技术，深入分析了界面欧姆接触的形成机制和其对能带结构的影响，为理解光催化反应中的电荷转移过程提供了新的视角。这些发现不仅丰富了光催化领域的理论基础，也为开发新型、高效的光催化剂提供了重要的参考。

在光催化水分解的过程中，氢气和氧气的生成分别依赖于水的还原和氧化反应。因此，研究中还特别关注了材料在这些反应中的催化活性。通过电化学测试和光催化实验，研究人员发现NiNF/TiONF复合材料在还原反应中表现出优异的活性，能够有效促进氢气的生成。而在氧化反应中，该材料同样显示出良好的性能，能够高效地产生氧气。这种双向的催化活性使得该材料在整体水分解反应中具有显著的优势，为实现高效的太阳能转化提供了坚实的基础。

综上所述，本研究通过构建2D/2D β-NiS/TiO???复合材料，并利用界面欧姆接触来提升光催化性能，成功开发出一种高效、稳定的光催化剂。该材料在没有牺牲剂的情况下，实现了显著的氢气和氧气产率，其性能指标远超传统光催化系统。此外，通过系统的理论分析和实验验证，研究人员揭示了欧姆接触在光催化水分解中的重要作用，为未来相关研究提供了重要的理论和技术支持。这一成果不仅推动了光催化水分解技术的发展，也为实现可持续的能源转换提供了新的可能性。