第一作者：刘翔
通讯作者：李伸杰、陈艳艳
DOI：10.1007/s11426-026-3671-8
✦ 本文亮点 ✦
本文亮点1：提出“纳米势阱双向局域@同质结界面无阻传输”的调控策略，突破传统异质结界面复合严重、载流子迁移无序的共性瓶颈。
本文亮点2：通过TiO2插层ZnIn2S4纳米片，在界面处形成双侧纳米势阱，高效捕获层状材料平面区域的光生电子，大幅提升载流子收集效率。原位生长Znln2S4量子点构建ZIS/ZIS同质结，凭借晶格完全匹配的优势消除界面势垒，为势阱中局域的电子提供快速定向传输通道。
本文亮点3：纯水中析氢速率达65.97 mmol·g-1·h-1，是纯ZIS纳米片的201倍；模拟海水体系中仍保持30.21 mmol·g-1·h-1的高活性，365 nm下表观量子产率可达33.07%。
✦ 前言 ✦
近日，合肥工业大学研究团队在光催化析氢领域取得进展，相关成果以Insight into the Photocatalytic Mechanism in Nanopotential Well@Homojunction System: Carrier Dynamics of the TiO2/ZnIn2S4*/ZnIn2S4 Quantum Dot System为题发表于国际权威期刊《SCIENCE CHINA Chemistry》。论文第一作者为硕士研究生刘翔，通讯作者为李伸杰、陈艳艳。
✦ 背景介绍 ✦
太阳能驱动光催化分解水制氢是实现清洁能源转化、缓解化石能源危机的核心技术路径，而光生载流子的分离、迁移与利用效率，是决定催化性能的核心瓶颈。
现有载流子调控策略仍面临诸多难题：传统异质结易因晶格失配产生界面缺陷，成为载流子复合中心；单一势阱或肖特基结仅能实现单向载流子限域，难以充分利用层状材料平面区域产生的大量载流子；层状半导体内部缺乏定向驱动力，载流子迁移路径无序，大量电荷在到达反应位点前便发生复合。
二维ZnIn2S4纳米片因带隙适宜、比表面积大、结构可调，成为光催化领域的热门材料，但纯相ZnIn2S4仍存在层间载流子复合严重、平面载流子难以有效收集的短板。如何构建新型调控机制，同时实现载流子的高效捕获与定向传输，是提升ZnIn2S4基光催化剂性能的关键。
基于此，研究团队设计了TiO2插层诱导的分子骨架异质结，利用二者交错能带构建双侧纳米势阱，实现平面载流子的双向捕获与局域；进一步原位生长ZnIn2S4量子点构建同质结，凭借晶格匹配优势构建无阻传输通道，最终形成“纳米势阱@同质结”协同体系，实现载流子从产生、局域到表面反应的全流程优化。
✦ 本文所用设备 ✦
文章使用设备为：泊菲莱GAS1000 微量气体反应评价系统，该设备是基于泊菲莱科技多年对气密性玻璃反应系统的研发经验，为满足客户光催化实验需求而研发的实验设备。适用于有微量气体产生的催化反应，如光催化分解水、光催化CO₂还原反应等。
✦ 图表解析 ✦
研究团队通过水热法实现TiO₂在ZIS层间的插层生长，构建具有分子骨架结构的TiO₂/ZIS*异质结；随后在其表面原位生长ZIS量子点，形成T-Z*-Q三元复合体系。形貌表征显示，复合材料保持典型片层形貌，可清晰观测到ZIS与TiO2的晶面；元素分布结果验证了各元素的均匀分布。XRD、拉曼与红外光谱进一步证实了复合结构的成功制备，特征峰的偏移证明两相之间存在强界面相互作用。XPS能谱分析表明电子从ZIS纳米片向TiO₂转移，引入量子点后电子进一步从TiO₂向ZIS QDs迁移，完整支撑了电荷转移路径。
图1. 单体机异质结的形貌表征
图2. 各样品的XRD、FTIR、In-situ RamanEPR及XPS表征
研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算，从热力学层面揭示了机制本质。功函数计算表明，ZIS 的功函数小于TiO₂，二者接触后费米能级自发对齐，在界面处形成内建电场与纳米势阱结构，驱动电子从ZIS向TiO2定向迁移，与XPS实验结果一致。态密度（DOS）计算显示，异质结形成后带隙发生收缩，源于界面处Ti 2p与S 2p轨道的杂化；引入硫空位（Vs）后，异质结的p、d轨道发生进一步调控，证明硫空位可增强内建电场强度，进一步优化载流子迁移行为。
图3. 各样品的功函数、差分电荷和态密度计算结果
在100 W氙灯照射下测试材料的光催化析氢性能：纯相TiO2、ZIS、QDs的析氢速率仅为0.002、0.328、0.008 mmol·g-1·h-1，而T-Z*-Q 三元体系可达65.97 mmol·g-1·h-1，分别是纯ZIS 的201 倍、纯QDs 的8246 倍；物理混合样品性能远低于T-Z * 异质结，证明分子骨架结构与纳米势阱对性能提升的关键作用；三元体系性能显著优于单一异质结（T-Z*）与单一同质结（Z-Q），验证了纳米势阱捕获@同质结传输的协同增强效应。在模拟海水体系中，T-Z*-Q仍保持30.21 mmol·g-1·h-1的高析氢速率，分别是T-Z、T-Z*、T-Z-Q的5.0、4.0、3.2倍，表明该结构可有效抵抗高浓度离子对载流子传输与表面反应的干扰，展现出海水制氢的实际应用潜力。表观量子产率测试显示，365 nm下T-Z*-Q 的AQY可达33.07%，高于单一异质结的25.1%。
图4. 各样品的光催化产氢速率、AQY及电化学性能
基于以上实验与理论结果，研究团队提出了T-Z*-Q体系的完整光催化机理：光照下ZIS纳米片产生光生电子-空穴对，在内建电场驱动下，电子从ZIS导带迁移至TiO2，被双侧纳米势阱捕获并局域存储；随后，借助ZIS/ZIS同质结的无阻传输通道，局域电子定向快速迁移至ZIS量子点的硫空位能级，最终在表面参与析氢反应。其中，纳米势阱负责载流子的捕获、局域与临时存储，同质结负责定向、低阻快速传输，二者协同实现了载流子的高效分离与利用，是催化性能大幅提升的核心原因。
✦ 全文小结 ✦
本工作通过TiO2插层构建分子骨架异质结形成纳米势阱，结合原位生长的ZIS量子点同质结，成功构建了纳米势阱@同质结协同光催化体系。该策略同时解决了层状材料平面载流子利用率低、异质结界面复合严重两大核心问题，实现了载流子从产生、局域到表面反应的全流程调控。该体系在纯水与模拟海水中均表现出优异的析氢性能与稳定性，为设计高效、耐盐的光催化制氢材料提供了全新的载流子调控思路，也为层状半导体的载流子动力学优化提供了重要的理论与实验参考。
✦ 文献信息 ✦
Xiang Liu, Deheng Chen, Shizhe Cao, Weizi Jiang, Wensong Wang, Ying Tian, Xinyi Qin, Weiwei Lin, Rulong Zhou, Yanyan Chen and Shenjie Li. Insight into the Photocatalytic Mechanism in Nanopotential Well@Homojunction System: Carrier Dynamics of the TiO2/ZnIn2S4*/ZnIn2S4 Quantum Dot System, SCIENCE CHINA Chemistry, 2026, http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11426-026-3671-8
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