ZnIn2S4（110）晶面暴露超薄纳米片的无助催化剂光催化H2O2高效合成机制研究

针对ZnIn2S4光催化产H2O2效率低的核心问题，研究人员通过晶面工程构建(110)晶面暴露的超薄纳米片结构。该结构使载流子分离效率提升4.6倍，H2O2产率达509.6 μmol/L（较原始材料提高8.2倍），DFT计算揭示其反应自由能垒(ΔGH2O2)低至-2.46 eV，为绿色合成H2O2提供了新范式。

　　

在环境友好型化学合成领域，过氧化氢（H₂O₂）作为重要的绿色氧化剂，其传统蒽醌法生产工艺存在高能耗、有毒副产物等问题。尽管光催化技术被寄予厚望，但ZnIn₂S₄等半导体材料因载流子复合快、活性位点不足等问题，导致H₂O₂产率长期低于理论值。更棘手的是，关键步骤（*O₂ + e^- + H⁺ → *OOH）的缓慢动力学严重制约反应效率，而助催化剂和牺牲剂的引入又增加了工艺复杂性。

新疆维吾尔自治区自然科学基金等项目支持的研究团队创新性地采用晶面工程策略，通过简单水浴法在甲醇溶剂中制备出(110)晶面暴露的ZnIn₂S₄超薄纳米片（ZIS-40）。该材料厚度仅3.35 nm，在无助催化剂、无牺牲剂条件下实现H₂O₂产率509.6 μmol/L，表观量子效率达0.8%，相关成果发表在《Applied Nursing Research》。

研究团队主要运用了三种关键技术：X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征晶面暴露情况，稳态表面光电压（SPV）测试载流子分离效率，以及密度泛函理论（DFT）计算反应自由能垒。通过调控甲醇溶剂比例（0-40 mL），系统研究了(110)晶面暴露率与光催化活性的构效关系。

【结果与讨论】
晶面结构调控：XRD和HRTEM证实随着甲醇含量增加，(110)晶面衍射峰强度增强，ZIS-40的(110)/(104)晶面比达最大值。原子力显微镜（AFM）显示纳米片厚度从ZIS-0的18.2 nm降至ZIS-40的3.35 nm。

电子行为解析：SPV测试表明ZIS-40的光电压强度是ZIS-0的4.6倍，飞秒瞬态吸收光谱显示其载流子寿命延长至1.5 ns，证实超薄结构和(110)晶面协同促进了电荷分离。

反应机制阐明：DFT计算发现(110)晶面上三配位S原子（连接3个In原子）具有最优的ΔG_H2O2（-2.46 eV），其促进*OOH中间体形成并加速H₂O₂脱附，使关键步骤能垒降低至0.82 eV。

【结论】
该研究开创性地证明了ZnIn₂S₄(110)晶面在光催化H₂O₂合成中的核心作用：一方面，超薄结构缩短了载流子迁移路径；另一方面，(110)晶面特殊的原子排列既优化了O₂吸附构型，又降低了反应能垒。这种"结构-活性"关系的揭示，为设计高效无牺牲剂光催化剂提供了新思路，对推动H₂O₂绿色合成工业化具有重要意义。