CEJ杂志:南昌大学王学文课题组在光催化产氢领域的最新研究成果

本研究首次利用Pt诱导微电化学生长法合成ZnS，并结合原子交换技术，成功构建了具有空穴型量子阱的ZnS-ZnO-ZnS交替异质结。该结构基于双n-n界面形成双Z‑scheme载流子迁移机制，实现了光生载流子的可控迁移与高效分离，大幅提升了纯水条件下光催化产氢性能。

2025年12月，Chemical Engineering Journal杂志在线发表了南昌大学王学文教授团队在光催化产氢领域的最新研究成果。该工作报道了一种通过原位Pt诱导微电化学生长制备ZnS-ZnO-ZnS交替异质结并构建量子阱的新策略，显著提升了光催化分解水产氢性能。论文第一作者为：童奕涵，论文共同通讯作者为：王学文。

随着全球能源需求增长与环境问题日益严峻，发展可持续的清洁能源技术成为研究热点。光催化分解水制氢技术因能直接利用太阳能、环境友好、效率较高等优势而备受关注。然而，光生载流子在催化剂体内快速复合严重制约了其实际应用效率。ZnS与ZnO均为重要的光催化材料，但单一的ZnS或ZnO存在带隙较宽、载流子复合快等问题。构建异质结是促进载流子分离的有效途径，但传统的A‑B型异质结对载流子运动的调控仍不充分。本研究通过构建A‑B‑A交替异质结，在双界面形成协同内置电场与量子阱结构，实现了光生电子与空穴的空间分离与定向迁移，为高效光催化剂的设计提供了新思路。

图1. 量子阱结构示意图

要点：

图1展示了量子阱结构示意图，n 型半导体主要通过带负电荷的电子导电。当两个功函数不同的 n 型半导体在表面紧密接触时，就会形成 n-n 型异质结。接触后，在界面处会建立一个内建电场。在弯曲能带和内建电场的协同作用下，异质结内会出现 Z 型载流子迁移机制。这种机制有利于光生电子和空穴的空间分离，同时保持强大的氧化还原能力。因此，构建 A-B-A 交替异质结能够形成双 Z 型载流子迁移路径，从而有效地实现量子阱结构。

图2. ZnS-ZnO-ZnS（P-SZS/G）量子阱的合成示意图

要点：

图2展示了P-SZS/G异质结的四步合成策略：步骤 I：通过 Zn 球与 GO 溶液之间的氧化还原反应制备 Zn/rGO；步骤 II：在含 S²⁻ 的水溶液中，以 Pt|H₂O|H₂ 为阴极、Zn|TAA|ZnS 为阳极建立微电化学反应器，使 Zn dust逐步转变为 ZnS，最终得Pt-ZnS/rGO/Zn。

步骤 III：在纯水中通过 Pt 诱导的微电化学生长 ZnO，同样以 Pt|H₂O|H₂ 为阴极、Zn|ZnO 为阳极，使剩余 Zn 转化为 ZnO，形成 ZnS 被 ZnO 包裹的棒状 Pt-ZnS/rGO/ZnO 异质结。步骤 IV：通过原子交换法并添加 TAA，使 ZnS 逐渐沉积在棒状结构表面，最终构建出 ZnS-ZnO-ZnS 交替异质结。

图2. （a）Zn dust、ZnS、ZnO、Pt-ZnS/rGO/Zn 和 Pt-ZnS/rGO/ZnO XRD 图谱；（b）Pt-ZnS/rGO/ZnO 和 P-SZS/GXRD 图谱；（c）Zn dustSEM 图像；（d）被ZnO包裹的ZnS SEM 图像；（e）Pt-ZnS/rGO/ZnO SEM 图像；（f）P-SZS/G TEM 图像；（g）P-SZS/G 的高分辨率 TEM 图像；（h）P-SZS/GEDS。

要点：

图3通过多种表征手段证明了P-SZS/G异质结的成功构建及其结构特征：物相与成分确认：XRD图谱证实了ZnO和ZnS的两步形成，并表明ZnO后期部分硫化为ZnS。形貌与结构演变：1.SEM显示原始Zn为微米级球状聚集体; 2.最终产物呈现六棱柱状结构，这是由于ZnO框架优先在两端生长并逐渐包裹内部ZnS所致，表面负载有Pt颗粒; 3.TEM图像显示，通过原子交换在ZnO表面外延生长ZnS，形成了粗糙的棒状交替异质结（P-SZS/G），晶格条纹证实了ZnS和ZnO晶面的存在。元素分布：EDS表明，Zn、O、S和Pt元素在异质结中均匀分布。综上所述，表征结果共同证实，通过两步微电化学生长和一步原子交换，成功构建了具有特定六棱柱形貌、元素均匀分布的P-SZS/G交替异质结。

图 4. （a）ZnS、ZnO 和 P-SZS/G 中 Zn 2p 轨道的 XPS 光谱；（b）ZnS 和 P-SZS/G 中 S 2p 轨道的 XPS 光谱；（c）ZnO 和 P-SZS/G 中 O 1s 轨道的 XPS 光谱；（d）P-SZS/G 中 Pt 4f 轨道的 XPS 光谱；（e）P-SZS/G 中 C 1s 轨道的 XPS 光谱；（f）ZnS、ZnO 和 P-SZS/G 的拉曼光谱。

要点：

通过对XPS分析表明，与单一组分相比，P-SZS/G中Zn 2p和S 2p的结合能升高，而O 1s的结合能降低。这证明电子从ZnS向ZnO转移，导致异质结界面处ZnS表面电子密度降低（带正电），ZnO表面电子密度升高（带负电），该电荷分布特征直接证实了ZnS-ZnO-ZnS异质结的构建，并表明其内部遵循Z型电荷转移机制。

图 5. （a）ZnS、ZnO 和 P-SZS/G 的UV−Vis光谱；（b）ZnS 和 ZnO 的 K-M 变换图；（c）ZnS 和 ZnO 的Mott-Schottky曲线；（d）ZnS 和 ZnO 的能带结构；（e）和（f）P-SZS/G 的电子和光生载流子传输机制示意图。

要点：

图5通过光学与电化学表征，分析了P-SZS/G异质结的能带结构及其独特的电荷分离机制：由于ZnS与ZnO的费米能级差异，电子从两侧的ZnS流向中间的ZnO，在界面处产生协同的“上-下-上”交替带弯曲：两侧ZnS能带向上弯曲（耗尽层），中间ZnO能带向下弯曲（积累层），这一特殊的带弯曲在中间ZnO的价带处形成了一个“空穴型量子阱”。 在光照下，这种结构有效促进了特殊的电荷分离：ZnS中产生的空穴与ZnO中产生的电子在界面复合，而ZnS中的光生电子和ZnO中的光生空穴则被空间分离并得以保留，被量子阱限制的ZnO价带空穴难以与ZnS导带电子复合，从而使二者能分别迁移至表面参与氧化和还原反应，实现了高效的载流子分离与利用。

图 6. 光催化产氢性能

要点：

在纯水中，所构建的P-SZS/G交替异质结展现出高达415.9 μmol·g⁻¹·h⁻¹的产氢速率，性能是普通ZnS-ZnO异质结的两倍，且优于多数文献报道值。纯ZnS、ZnO及其物理混合物在相同条件下几乎无活性.在Na₂S/Na₂SO₃牺牲剂溶液中，产氢速率进一步提升至1196.7 μmol·g⁻¹·h⁻¹，表明其具有高催化潜力。在纯水中长时间循环反应后，催化剂因自腐蚀导致性能下降，并检测到副产物SO₄²⁻。经300℃煅烧1小时处理后，催化剂在纯水中表现出优异的稳定性，且无SO₄²⁻生成，检测到H₂O₂产物。表征证实煅烧形成了更致密稳定的异质结界面，促进了空穴的有效转移与分离，从而抑制了腐蚀。

图 7.（a）P-SZS/G ZnO、ZnS 和 ZnO 的EIS；（b）P-SZS/G ZnO 和 ZnS 的PL；（c）P-SZS/G、ZnO 和 ZnS 的TRPL；（d）黑暗下 P-SZS/G、ZnS 和 ZnO 的 DMPO-·OH 的 EPR 信号；（e）光照条件下 P-SZS/G、ZnS 和 ZnO 的 DMPO-·OH 的 EPR 信号；（f）P-SZS/G 中 h+ 的 EPR 信号；（g）P-SZS/G 光催化水分解机制示意图。

要点：

电化学阻抗谱表明P-SZS/G具有最小的电荷转移电阻，证明其异质结结构显著增强了载流子向表面迁移的动力学；光致发光光谱显示P-SZS/G的荧光强度最弱，时间分辨光致发光光谱则显示其载流子寿命最长，共同证实交替异质结有效抑制了光生电子-空穴对的复合；电子顺磁共振分析在光照下检测到强烈的·OH自由基信号，且P-SZS/G的信号远强于纯ZnO。这直接证明了其氧化能力的大幅提升，归因于“空穴型量子阱”将光生空穴限制并富集在ZnO层，极大地促进了水氧化反应，同时检测到光生空穴被有效捕获并消耗，进一步证实了空穴参与了表面氧化反应。综合能带分析，机理可概括为：ZnS与ZnO接触形成交替异质结，其独特的能带弯曲构建了空穴型量子阱，在光照下，遵循Z型机制：界面处ZnS的空穴与ZnO的电子复合，而ZnS的导带电子（强还原力）和ZnO的价带空穴（强氧化力）则被空间分离，分别被限制在势垒层和量子阱中，从而有效抑制复合，被分离的载流子最终迁移至表面，分别驱动水的还原和氧化反应。

本研究发展了一种原位微电化学生长结合原子交换的策略，成功构建了具有空穴型量子阱的ZnS‑ZnO‑ZnS交替异质结。该结构通过双Z‑scheme机制与量子阱的协同作用，实现了光生载流子的高效分离与定向迁移，从而大幅提升了光催化产氢性能。该工作不仅为交替异质结与量子阱结构的光催化剂设计提供了新方法，也为太阳能驱动的水分解制氢技术提供了重要的材料基础与理论依据。

王学文，南昌大学教授。主要研究方向为：新型太阳能转化材料的设计，合成及其光催化性能研究。

在Energy Environ. Sci.，Adv. Energy Mater., Appl.Catal.B,等学术期刊已发表SCl论文90余篇，目前总引用5000余次。h因子40。授权国家发明专利10余项。先后主持10余项国家自然科学基金和省部级等项目，多次在国内国际学术会议做邀请报告。

Y. Tong, M. Mo, J. Wei, R. Zhang, X. Wang, ZnS-ZnO-ZnS alternating heterojunctions with quantum wells fabricated via in situ Pt-induced microelectrochemical growth for enhanced photocatalytic hydrogen production performance, Chemical Engineering Journal (2025) 171901.

https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171901.

北京泊菲莱科技有限公司（Beijing Perfectlight）成立于2006年，是国家级高新技术企业、中关村高新技术企业及北京市首批“专精特新”企业，通过 ISO 9001/14001/45001 管理体系认证，售后服务达 GB/T 27922-2011 五星级标准。公司专注于智能化、高精度、高性能设备及整体解决方案的研发、生产、销售与服务，产品涵盖光源、光/光电/光热/热催化装置、表征测试系统、产研装置与光合成设备等十余系列，支撑从基础研究、小试中试到工业化放大。泊菲莱面向高校、研究所及企业，重点服务新能源、药物合成、精细化工与新材料等领域；产品已进入 3000+ 实验室、远销近 50 个国家，累计支撑发表 SCI 论文 9000+ 篇。公司牵头或参与国家与行业标准制定，承担国家重点研发计划，拥有多项核心知识产权与“北京市新技术新产品”认证，并已助力多家企业用户建成吨级与百吨级光化学生产线。

文章使用设备为：Labsolar-6A 全玻璃自动在线微量气体分析系统，该设备集成控制程序，操作简单方便，强大的兼容性，可通过更换不同的反应器实现光催化、光热催化、 电催化、PEC光电化学等反应的微量气体检测。

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名称：泊菲莱 Labsolar-6A 全玻璃自动在线微量气体分析系统｜Perfectlight All Glass Automatic On-line Trace Gas Evaluation System｜Labsolar-6A

关联论文：期刊 Chemical Engineering Journal（2025年12月），DOI：10.1016/j.cej.2025.171901

Labsolar-6A 全玻璃自动在线微量气体分析系统适用于：

▲ 光催化/光电催化分解水制氢/氧 

▲ 光催化/光电催化全分解水 

▲ 光催化/光电催化CO2还原 

▲ 光催化量子效率测量 

▲ 光热催化（负压常压体系） 

▲ 电催化HER、OER、CO2RR

亮点：

● 玻璃阀+自动执行器，实现气密性与效率兼顾的目标； 

● 高效气体循环，既有效促进反应与催化剂之间的传质作用，又有效避免因产物分子的重吸附作用引发的副反应和逆反应，准确呈现催化剂的本征活性； 

● 气体快速混合，气体混匀时间<10 min，确保产物检测的准确性； 

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● 强大的兼容性，可通过更换不同的反应器实现光催化、光热催化、电催化、PEC光电化学等反应的微量气体检测。

升级说明停产旧型号： Labsolar-6A 全玻璃自动在线微量气体分析系统升级款新型号： μGAS 1001 微量气体反应评价系统型号关系： μGAS 1001 为 Labsolar-6A 的继任型号主要改进：- 气密性能显著提升，长期测试稳定性更高；- 支持光、电、热、磁多类型反应器联用；- 集成智能化控制与数据采集系统，实验效率与可重复性提升；

关键词：Perfectlight; 泊菲莱; Labsolar-6A ; 光催化分解水系统; 光催化二氧化碳还原系统; 反应器联用; 光催化; Chemical Engineering Journal 2025

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