环境污染和能源短缺是当今人类面临的重大挑战，光催化分解水制氢可望从根本上解决能源和环境问题，具有重要意义。半导体异质结可以利用能级差的作用促使光生载流子的分离和迁移，是提高光催化分解水产氢性能的有效手段。然而，半导体异质结的界面处往往存在缺陷，成为光生载流子的复合中心，不利于光催化产氢性能的提高。

近日，西安交通大学电气学院电力设备电气绝缘国家重点实验室新型储能与能量转换纳米材料研究中心，在CdS@ZnO核壳异质结催化剂的前期工作（Nano Energy, 2017, 39, 183−191）基础上，通过原子层沉积在CdS和ZnO之间引入具有良好表面相容性的超薄Al₂O₃钝化层，得到CdS@Al₂O₃@ZnO核壳异质结催化剂，其光催化产氢性能从CdS@ZnO的70.47 mmol/g/h提高到101.3 mmol/g/h。实验和理论计算结果表明，超薄Al₂O₃层不仅有效钝化了CdS与ZnO之间的界面缺陷，而且将CdS与ZnO之间的载流子传输机制从直接Z型转变为类似II型，产氢反应位点从CdS@ZnO催化剂的CdS核表面转移到CdS@Al₂O₃@ZnO催化剂的壳表面，从而显著提升光催化产氢性能。该项工作表明可以通过异质结界面调控促使载流子迁移机制向有利于光催化反应的方向，为提高异质结催化剂的光催化产氢性能提供了一条新的路径。

该研究成果发表在材料领域知名期刊Journal of Materials Chemistry A 上（影响因子10.773），论文第一作者为电气学院博士生马丹丹，通讯作者为电气学院石建稳副教授，论文的国际合作者为澳大利亚昆士兰大学王连洲教授，西安交通大学是该论文的第一作者与第一通讯单位。该项研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、电力设备电气绝缘国家重点实验室自主研究课题资助，西安交通大学界面与原子结构贾春林科学家工作室、西安交通大学分析测试共享中心为该研究的表征提供了支持。

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An ultrathin Al₂O₃ bridging layer between CdS and ZnO boosts photocatalytic hydrogen production

Dandan Ma, Zhenyu Wang, Jian-Wen Shi,* Yajun Zou, Yixuan Lv, Xin Ji, Zhihui Li, Yonghong Cheng, Lianzhou Wang

J. Mater. Chem. A, 2020, DOI: 10.1039/D0TA03933K

团队介绍

新型储能与能量转换纳米材料研究中心(http://cne.xjtu.edu.cn  )瞄准新能源技术发展前沿，围绕新型储能和能量转换纳米材料研究方向，开展以材料微观/介观结构-化学特性-纳米制备技术为核心的基础研究工作，并以新能源转换与储能系统示范工程的研究和实施带动电气工程学科的发展建设，实现在该领域的理论创新与研究方法的创新。