齐鲁工业大学发现孪晶Zn1-xCdxS固溶体高效光催化产氢

立方CdS作为理论计算的基本模型，进一步探讨孪晶界在光催化水分解中的作用可以发现，孪晶界对水的吸附能和解离能分别为-0.676 eV和0.42 eV，对质子的吸附能为-1.8 eV。立方相(111)对水的吸附/解离能为-0.44 eV/ 0.81 eV，对质子的吸附/解离能为-1.68 eV。孪晶边界在吸附/解离水和吸附质子方面均优于正常(111)平面。另一方面，立方相中的电子有效质量为13.203 m₀，而具有孪晶界的模型的电子有效质量为6.643 m₀，电子迁移率便更高。理论计算表明，在孪晶界面上，不仅晶体内的电子迁移率，而且晶体外的水吸附/解离和质子吸附能力都优于对应晶面。在孪晶Zn_1-xCd_xS上，水在孪晶界被Zn²⁺/Cd²⁺吸附后倾向于解离，然后孪晶界上快速移动的电子与已经附着在S^2-上的质子迅速结合形成氢。这是由于孪晶界处的原子排列与立方相(111)面处不同所致（图2d）。本文所制备的孪晶Zn_1-xCd_xS产氢活性为72.02 mmol g^-1 h^-1, AQE为82.5% (λ=420 nm)。该研究是利用缺陷工程方法改善孪晶材料制氢性能的有效策略，为今后揭示面缺陷在设计具有稳定高性能产氢的新型光催化材料中的作用提供了新思路。

图2.孪晶在光催化产氢性能中的作用机理

相关成果以“孪晶Zn_1-xCd_xS固溶体:高效水分解光催化剂（Twin Zn_1-xCd_xS solid solution: Highly efficient photocatalyst for water splitting）”为题发表在国际知名期刊《Small》上。

齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学部黄美苓讲师为文章的第一作者。郝霄鹏教授和吴拥中教授为文章的共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、济南市“新高校20条”、齐鲁工业大学（山东省科学院）科教产融合重大创新项目和山东省泰山学者计划等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202304784