氫能是傳統(tǒng)化石能源的最佳替代能源之一，基于半導(dǎo)體的光催化制氫為太陽(yáng)能制氫提供了一種理想的方法。然而較早的半導(dǎo)體光催化劑保持了較低的能量轉(zhuǎn)換效率，這是由于太陽(yáng)能吸收范圍較窄，光生載流子分離效率較差以及活性位點(diǎn)有限。

此后，為了優(yōu)化催化劑光催化性能采取了各種策略，元素?fù)诫s在這方面具有很大的潛力，它可以增強(qiáng)光吸收，促進(jìn)載流子分離和輸運(yùn)，并提供額外的活性位點(diǎn)。

為此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏等人將磷（P）摻雜到二維單晶四元硫化物Cu–Zn–In–S（CZIS）納米帶中使光催化制氫顯著增強(qiáng)。

以硫化鈉和亞硫酸鈉為空穴犧牲劑，在可見(jiàn)光照射下（λ > 400nm）對(duì)P摻雜 CZIS納米帶的光催化產(chǎn)氫性能進(jìn)行了研究。

P摻雜的CZIS納米帶的光催化活性隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增加，達(dá)到12.2 mmol h-¹g^-1的最高光催化產(chǎn)氫速率，這是CZIS 納米帶（3.4 mmol h^-1g^-1）的3.5倍和Pt修飾的CZIS納米帶（6.5 mmol h^-1g^-1）的2倍，并且優(yōu)于最多報(bào)道的基于Cu的四元硫化物光催化劑。

然而，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的P摻雜CZIS納米帶的光催化活性較低，這表明適度的P摻雜是獲得最佳活性的必要條件。

P摻雜的CZIS納米帶表現(xiàn)出反應(yīng)溫度，反應(yīng)時(shí)間和質(zhì)量比依賴性的光催化活性，以質(zhì)量比（Na₂H₂PO₂/CZIS 納米帶）為7:1在300 ° C保持60分鐘合成方法下合成了最佳的P原子比為3.69%的P摻雜CZIS納米帶催化劑。

P摻雜可以通過(guò)調(diào)節(jié)四元硫化物納米帶的能帶結(jié)構(gòu)和電荷動(dòng)力學(xué)而不改變其特殊的結(jié)構(gòu)和表面，從而提高可見(jiàn)光光催化制氫性能。

利用超快光譜技術(shù)詳細(xì)研究了P摻雜對(duì)載流子動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果表明 P 摻雜可以有效地促進(jìn)光生載流子的分離，從而提高光催化性能。

與純的CZIS納米帶相比，P-CZIS納米帶在光催化析氫速率不僅大大提升，并且在測(cè)試24小時(shí)后活性衰減可以忽略不計(jì)。

此外，這種P摻雜策略對(duì)單晶Cu–Zn–Ga–S納米帶具有通用性，實(shí)現(xiàn)了3倍的光催化析氫活性。元素?fù)诫s工程的思想為合理設(shè)計(jì)先進(jìn)的半導(dǎo)體光催化劑提供了一條途徑，用于高效率的太陽(yáng)能-燃料轉(zhuǎn)化。

Phosphorus-doped single-crystalline quaternary sulfide nanobelts enable efficient visible-light photocatalytic hydrogen evolution, Journal of the American Chemical Society, 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c07313.

https://doi.org/10.1021/jacs.2c07313.