Zn、S双空位诱导局域取向电场提升光催化H₂O₂产率研究【科学指南针·计算支持·2025】

兰州大学陈凤娟教授课题组在《Angewandte Chemie International Edition》发表创新研究成果，通过精确调控Zn₃In₂S₆中Zn、S双空位，成功诱导局域取向电场，显著提升光催化过氧化氢产率。科学指南针为本研究提供理论计算支持，助力空位效应分析与反应机理解析。

研究背景与光催化挑战

过氧化氢作为一种重要的化学原料，在环境和能源领域具有广泛应用。传统蒽醌法制备H₂O₂存在能耗高、污染重等问题，光催化技术为绿色合成H₂O₂提供新途径。然而，光催化体系面临载流子分离效率低和反应动力学缓慢等挑战。

​核心技术瓶颈：​​

• 传统光催化剂载流子复合率高，量子效率低

• 单一空位缺陷对电荷分离的促进效果有限

• 基面S原子反应活性低，限制ORR过程效率

• 双电子氧还原路径选择性不足，H₂O₂产率低

• 催化剂稳定性差，循环使用寿命短

创新方法：双空位精准调控策略

研究团队通过空间限制策略精确调控Zn₃In₂S₆中Zn空位（VZn）和S空位（VS）的比例，诱导形成局域取向电场（LOEF），突破光催化性能限制。

​技术突破要点：​​

• CTAB嵌入阴离子层，热解生成可控VZn空位

• H₂氛围处理诱导VS空位形成，实现双空位协同

• 空位比例精确调控（VZn:VS从1.9:1.0到1.0:3.3）

• 双空位诱导LOEF，促进电荷定向分离与传输

材料合成与结构表征

通过水热法结合热处理成功制备具有不同空位比例的Zn₃In₂S₆材料，系统表征证实其结构和电子特性。

​结构特征验证：​​

• SEM和TEM显示纳米花状形貌，比表面积大

• XRD证实六方相结构，空位引起晶格畸变

• HAADF-STEM直接观测空位分布

• iDPC-STEM揭示原子级结构细节

• XAS分析确认Zn、In局域配位环境变化

理论计算与机理解析

科学指南针支持的理论计算深入揭示双空位诱导LOEF的电子机制和催化活性提升原理。

​计算研究发现：​​

• 功函数计算证实LOEF存在与强度

• 态密度分析显示空位引入缺陷能级

• 氧还原路径自由能计算揭示反应能垒变化

• 正电子湮灭寿命表征空位浓度与分布

• 电子局域函数分析电荷重新分布

光电性能与电荷动力学

双空位Zn₃In₂S₆展现出优异的光电性能，证实LOEF对电荷分离的促进作用。

​性能提升表现：​​

• KPFM测量显示表面电势差增大，证实LOEF形成

• PL光谱强度降低，载流子复合抑制

• TRPL显示载流子寿命延长，分离效率提升

• 瞬态吸收光谱证实电荷分离动力学加速

• 电子从VS向VZn定向迁移，实现空间分离

光催化性能评估

VS&VZn-Zn₃In₂S₆（1.0:1.9）在纯水无牺牲剂条件下展现出卓越的H₂O₂产率。

​性能卓越表现：​​

• H₂O₂产率高达11580.74 µmol g⁻¹ h⁻¹

• 相比单一空位样品提升2.4倍

• 循环稳定性优异，多次使用活性保持

• 双电子ORR路径选择性显著提升

• EPR证实·O₂⁻和¹O₂活性物种生成

普适性验证与应用前景

双空位策略成功拓展至其他硫化物体系，证实方法的普适性。

​推广应用：​​

• VS&VCu-CuIn₂S₄体系验证策略通用性

• VS&VNi-NiIn₂S₄同样展现性能提升

• 为硫化物光催化剂设计提供新思路

• 在环境修复和能源转化中具应用潜力

总结与展望

双空位诱导LOEF策略为高效光催化剂设计提供创新解决方案，推动绿色合成技术发展。

​创新价值总结：​​

• 精准调控双空位比例诱导LOEF形成

• 实现电荷定向分离与反应位点优化

• 科学指南针计算支持为机理解析提供关键支撑

• 为缺陷工程研究提供新范式

​应用前景：​​

• 高效光催化H₂O₂绿色合成

• 太阳能燃料制备与环境修复

• 新型能源转化材料设计

• 可持续化工过程开发

论文信息：Angewandte Chemie International Edition, 2025

DOI：10.1002/anie.202521029

​科学指南针计算服务​：提供功函数、态密度和自由能计算支持，助力光催化材料设计与性能优化。了解更多：https://www.shiyanjia.com/simulate.html【科学指南针·服务声明·2025】