原子级相干共价异质界面实现全光谱光催化产氢耦合选择性有机氧化

针对光催化产氢(H2)与苯甲醇(BA)选择性氧化过程中界面电荷动力学受限和光利用不足的难题，研究人员通过构建ZnIn2S4/ZnCo2O4(ZIS/ZCO)原子级相干异质结（1.64%晶格失配），结合Zn-S-Zn共价桥接、强内建电场(BIEF)和ZCO介导的光热近红外(NIR)捕获，实现了创纪录的双功能催化性能（92.7 mmol g–1 h–1 H2 + 72.9 mmol g–1 h–1苯甲醛），为太阳能驱动化学合成提供了新范式。

　　

在能源危机与环境问题日益严峻的背景下，光催化分解水制氢技术被视为实现碳中和的关键路径之一。然而，传统光催化体系面临三重困境：水氧化反应(OER)动力学迟缓导致电荷复合严重，太阳能转化效率(STH)普遍低于0.16%；窄带隙半导体虽能拓宽光吸收范围，却常以牺牲电荷分离效率为代价；多相催化界面存在的晶格失配（通常>5%）会引入应变缺陷，使载流子复合率激增3-5倍。更棘手的是，这些限制因素在需要同时驱动质子还原(HER)和有机分子氧化的双功能体系中表现得尤为突出——电荷传输的动力学失衡会导致严重的效率损失。

针对这一系列挑战，浙江理工大学的研究团队在《Journal of Materials Science》发表了一项突破性研究。他们创新性地设计出ZnIn₂S₄/ZnCo₂O₄(ZIS/ZCO)原子级相干异质结，通过界面共价工程与光热效应的协同作用，实现了全光谱驱动的高效产氢耦合苯甲醛合成。该工作不仅创下了双功能光催化的活性纪录（H₂产率92.7 mmol g^–1 h^–1，苯甲醛产率72.9 mmol g^–1 h^–1），更建立了"原子界面控制+光热工程"的新研究范式。

研究团队采用密度泛函理论(DFT)计算指导界面设计，通过Kelvin探针力显微镜(KPFM)和飞秒瞬态吸收光谱(fs-TAS)验证电荷分离机制，结合X射线光电子能谱(XPS)分析界面电子结构。关键实验技术还包括原位红外光谱追踪反应路径，以及光电化学测试量化载流子传输效率。

【DFT计算揭示界面晶格匹配机制】
理论计算显示ZIS(006)晶面与ZCO(111)晶面仅存在1.64%的晶格失配，界面处通过Zn-S-Zn共价桥实现原子级连贯。这种独特结构使界面电阻降低至传统异质结的1/8，电荷分离效率提升至90%以上。

【多尺度表征验证协同效应】
KPFM测量证实ZCO向ZIS方向存在强内建电场(BIEF)，驱动光生电子高效转移；fs-TAS显示载流子寿命延长至纯ZIS的7.3倍。ZCO的金属特性使其成为电子"蓄水池"，同时其光热效应将NIR光子转化为局部热能，使表观活化能降低34.7%。

【性能突破与机制解析】
优化后的38%-ZCO/ZIS催化剂在420 nm处表观量子效率达45.8%，NIR区域(800 nm)仍保持12.3%的活性。动力学研究表明，界面原子级连贯性使电荷转移速率常数(k_ct)提升6.2倍，而光热效应将BA氧化决速步能垒从1.24 eV降至0.81 eV。

这项研究的意义在于突破了传统光催化"顾此失彼"的困境：原子级连贯界面解决了电荷复合难题，ZCO的双重功能（电子受体+光热转换器）实现了宽谱带响应与动力学加速的协同。Yuxin Wang、Shuhan Sun等作者提出的"界面共价工程+光热增强"策略，为设计新一代太阳能转化系统提供了普适性指导原则。特别值得注意的是，该工作将光催化产氢从单纯的能源存储，拓展至高附加值化学品合成的耦合生产，在经济可行性上迈出了关键一步。正如通讯作者Xianqiang Xiong强调的，这种多尺度调控理念可延伸至CO₂还原、固氮等其他重要催化体系，推动太阳能驱动化学合成领域的范式变革。