光催化分解水技术是一种经济环保的绿色制氢技术，但是由于光催化剂严重的体相电荷复合率以及光生电子空穴对的强氧化还原能力可能会分解光催化剂本身，导致光催化分解水制氢效率低、稳定性差。如果能够显著提高光生电子-空穴对的分离和传输性能，则能够在表面光催化反应中消耗光生电子和空穴，从而消除光生载流子与光催化剂之间的副反应。因此，提高光催化剂中的体相电荷分离效率具有重要意义，同时也极具挑战性。

鉴于此，西北工业大学黄维院士团队王松灿教授课题组和昆士兰大学王连洲院士、陕西师范大学朱刚强教授合作，提出了一种打破ZnCdS光催化剂中长程有序原子的对称性而形成非晶ZnCdS，诱导偶极矩产生强偶极场，从而促进电荷分离和转移的新思路。这种非晶ZnCdS材料在负载1 wt.%低成本Co-MoS_x助催化剂后的光催化制氢速率高达70.13 mmol g^-1 h^-1，比晶态ZnCdS高5倍以上，光催化稳定性长达160 h。通过简单的刮涂技术制备了20 cm×20 cm的ZnCdS/Co-MoS_x柔性薄膜，可以在氙灯和自然光照下产生大量肉眼可见的H₂气泡，具有规模化应用的潜力。相关成果以“Induced dipole moments in amorphous ZnCdS catalysts facilitate photocatalytic H₂ evolution（非晶ZnCdS催化剂诱导偶极矩促进光催化制氢性能）”为题发表在Nature Communications上，柔性电子研究院博士生王鑫为第一作者，黄维院士、王松灿教授、昆士兰大学王连洲院士和陕西师范大学朱刚强教授为共同通讯作者。

图1. （a）晶态ZnCdS和（b）非晶ZnCdS的原子排列和分布。（c）晶态ZnCdS和（d）非晶ZnCdS在(011)面上的形变电荷密度。（e）计算出的晶态ZnCdS和非晶ZnCd沿三个不同晶体方向的偶极矩。具有正电荷中心和负电荷中心的（f）晶态ZnCdS和（g）非晶ZnCdS结构示意图。（h）偶极场对电荷转移的促进作用示意图。（i）非晶ZnCdS和晶态ZnCdS在2.5小时内的产氢量。非晶ZnCdS的（j）波长依赖性表观量子产率(AQY)和（k）光催化稳定性测试。（l）不同尺寸(5/10/20 cm × 5/10/20 cm)的柔性光催化薄膜。（m）暗态、（h）氙灯光照和（i）自然光照下的光催化薄膜产氢效果。

如图1所示，通过理论计算发现晶态ZnCdS的电荷分布非常均匀且高度有序，而非晶ZnCdS表现出形变电荷的随机分布，这归因于非晶ZnCdS和晶态ZnCdS中的不同原子排列和分布。根据结构计算出偶极矩，具有完美晶体结构的晶态ZnCdS沿x、y和z方向表现出较小的偶极矩，分别为31.73、-27.48和-87.85 eÅ。然而，非晶ZnCdS中沿x方向的偶极矩显著增强至 -80.58 eÅ。在y和z方向的增幅更大，偶极矩分别为 -153.80 和 197.01 eÅ。非晶ZnCdS中沿（100）、（010）和（001）方向产生强偶极场，从而促进颗粒光催化剂中的电荷分离和转移。在氙灯光照下，非晶ZnCdS/Co-MoS_x的光催化制氢速率高达70.13 mmol g^-1 h^-1，光催化稳定性长达160 h。通过简单的刮涂技术制备了不同尺寸的ZnCdS/Co-MoS_x柔性薄膜，可以在氙灯和自然光照下产生大量肉眼可见的H₂气泡。

总的来说，通过简单的低温湿化学法合成了高性能的非晶ZnCdS，由于原子排列的不对称性，在x、y和z方向上产生了强偶极场，为光生电子空穴对的分离和传输提供了额外驱动力，从而大幅提高了光催化析氢速率。该工作为高性能非晶光催化剂的设计提供了新思路。

本工作得到了国家自然科学基金面上项目、中央高校基本科研业务费和西北工业大学分析测试中心提供的资金支持。王松灿教授致力于光催化分解水制氢领域的研究，作为第一/通讯作者，在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.等学术期刊发表论文30余篇。累计发表学术论文70余篇，论文他引6600余次（Web of Science），H因子为37，11篇入选ESI高被引论文。入选中国科协“科技智库青年人才计划”，主持国家自然科学基金面上项目和青年科学基金项目等国家级和省部级项目4项。担任澳大利亚研究委员会基金项目评审专家、J. Mater. Sci. Technol.、EcoEnergy、J. Cent. South Univ.和Tungsten等期刊青年编委。

论文链接： www.nature.com/articles/s41467-024-47022-z

（文字：王鑫 审核：王学文）