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由于化石能源具有不可再生性，利用化石能源會產(chǎn)生對環(huán)境有害的物質(zhì)，用光催化分解水把太陽能轉(zhuǎn)化為清潔可再生的氫能源得到越來越多的研究。對于光催化來說，如何提高半導(dǎo)體材料對太陽光的吸收和提高太陽光能量的轉(zhuǎn)換率依然是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。Zn-Cd-S固溶體具有可見光響應(yīng)的高效率光催化分解水制氫能力，經(jīng)過渡金屬Cu摻雜后，其光催化性能可得到很大的提高，但如何進(jìn)一步提高該材料體系的性能以及Cu摻雜提高光催化性能的機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究。

在深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授的指導(dǎo)下，博士后梅宗維和張炳凱與團(tuán)隊(duì)老師和研究生合作，通過實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算相結(jié)合的方法發(fā)現(xiàn)Cu²⁺摻雜Zn_0.5Cd_0.5S后自發(fā)變?yōu)镃u⁺，并促使S缺陷生成。同時(shí)，Cu⁺和S缺陷將分別接受光生空穴和光生電子，從而提高光生載流子的分離能力。結(jié)合Cu摻雜提高可見光吸收的性質(zhì)，Cu摻雜樣品的光催化分解水產(chǎn)氫性能最高是未摻雜樣品的2.8倍，達(dá)到21.4mmol/h/g，在428nmLED光照下的量子效率達(dá)到18.8%。研究成果第一次成功解釋了Cu摻雜提高Zn-Cd-S體系光催化性能的機(jī)理，且為目前光催化水分解產(chǎn)氫性能的世界一流水平。該研究成果以全文形式(“Tuning Cu dopant of Zn0.5Cd0.5S nanocrystals enables high-performance photocatalytic H2 evolution from water splitting under visible-light irradiation”)發(fā)表于能源領(lǐng)域頂尖雜志Nano Energy上（影響因子IF=11.3）。

圖1.Cu⁺摻雜Zn_0.5Cd_0.5S固溶體提高光生載流子分離能力的示意圖

圖2.a)Cu摻雜及未摻雜Zn_0.5Cd_0.5S可見光催化分解水制氫性能比較 b)Cu(2%)摻雜未摻雜Zn_0.5Cd_0.5S在不同波長LED照射下的吸收性能及量子效率比較

本工作在光解水材料的實(shí)驗(yàn)和機(jī)理研究取得重要進(jìn)展，得益于國際化團(tuán)隊(duì)交叉學(xué)科的協(xié)同創(chuàng)新，參與本工作的有北大物理學(xué)院的龔旗煌院士團(tuán)隊(duì)（開展了快速激光光譜研究）、美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Dr.Amine團(tuán)隊(duì)（開展同步輻射的硬x-ray結(jié)構(gòu)研究）、美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室楊萬里團(tuán)隊(duì)（開展軟x-ray吸收譜的研究），以及日本團(tuán)隊(duì)等8個(gè)團(tuán)隊(duì)。梅宗維和張炳凱是文章的共同第一作者，潘鋒為通信作者。該項(xiàng)工作得到了廣東省引進(jìn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳孔雀計(jì)劃及深圳創(chuàng)新委科技計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。