利用太陽光和水這兩種地球上最豐富的自然資源，以2:1的化學計量比生產氫氣（H2）和氧氣（O2），在實現碳中和方面具有巨大潛力。與光電化學分水等某些太陽能制氫技術相比，光催化整體水分解（photocatalytic overall water-splitting）技術無需外部偏壓或電路，降低了系統成本，并減輕了光催化劑的腐蝕、穩定性和安全性問題。由此可知，基于半導體的光催化整體水分離是一種理想的太陽能到化學能轉換途徑。然而，混合系統中反應路徑長、活性位點分布隨機，限制了其光催化活性。因此就需要在太陽能制氫系統中開發具有高太陽能轉化為氫氣（solar-to hydrogen，STH）效率的光催化劑。

金屬硫化物因其合適的能帶、可設計的結構和優異的光電特性而被認為是前景廣闊的光催化劑。具有代表性的金屬硫化物如ZnIn2S4、MoS2、WS2 和 In2S3 等已被廣泛應用于光催化水分離領域。其中，ZnIn2S4（ZIS）是一種典型的三元層狀金屬鹵化物半導體，具有約2.44 eV 的合適帶隙和 -0.43 eV 的導帶電位，具有吸收可見光的能力和較強的還原能力，可通過水分裂產生 H2。圍繞 ZIS 光催化劑，許多策略都實現了提高 H2 生成性能，如構建 Z 型硫空位 ZIS 與其他半導體的異質結構、在 ZIS 納米片中摻雜原子銅誘導 S 空位、在 ZIS 的硫原子位點中摻入陰離子位點氧，以及調制突出單個鉑原子的共催化劑，但它們都無法實現高效穩定的整體分水反應。提高水分離效率的關鍵挑戰之一是單一光催化劑中活性位點的均勻組成和一致的電子結構。此外，ZIS 光催化劑中的硫原子極易被光生空穴氧化，導致其不穩定。這些瓶頸導致惰性基阻礙氧氣的產生，最終導致整體分水性能低下。

有鑒于此，材料學院李炫華教授團隊設計了一種畸變誘發陽離子位O 摻雜的 ZIS（D-O-ZIS），以打破其相鄰原子位點之間成分的均一性，實現高性能的整體水分離。

研究亮點：

亮點1.ZnIn2S4（D-O-ZIS）的畸變誘發陽離子位氧摻雜在相鄰原子位點之間產生了顯著的電負性差異，在 S1-S2-O 位點的局部結構中，S1 位點富電子，S2 位點缺電子。

亮點2.強烈的電荷再分配特性激活了S2 位點上穩定的氧反應，避免了金屬硫化物光催化中常見的硫不穩定問題，而 S1 位點則有利于氫的吸附/解吸。

亮點3.D-O-ZIS 實現了全面的水分離反應，太陽能-氫氣轉換效率高達 0.57%，120 小時光催化測試后的保留率約為 91%。

在這項工作中，研究者從電負性差異的角度啟發了一種通用設計，以激活和穩定金屬硫化物光催化劑，從而實現高效的整體水分離。

論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-44725-1

（文字：段慕松；審核：蔡利劍）