研 究 背 景

实现碳中和能源循环，亟需发展可持续的绿色制氢技术。光催化分解水可利用太阳能驱动产氢，避免传统甲烷重整带来的碳排放问题。然而，该技术的实际应用受限于析氢反应（HER）动力学缓慢，根本原因在于催化活性位点上质子与电子的供给和耦合效率不足。

在天然氢化酶体系中，质子耦合电子转移（PCET）通过精密的质子传递通路与电子转移路径实现高效协同。相比之下，大多数人工光催化剂存在严重的电荷-质子动力学失配：光生载流子易在到达反应界面前复合，而质子向还原位点的扩散速率远滞后于电子传输，导致电子与质子供给不同步。这种时间尺度上的不匹配不仅加剧了电荷复合，也使大量催化活性位点因电子积累却缺乏质子而无法充分利用。

尽管现有材料改性策略（如构建异质结或负载助催化剂）致力于提升电荷分离与传输性能，却很少针对性地构建质子定向传输通路。新一代高效光催化剂必须同时模拟天然光合系统的电荷分离机制与有序质子调控能力，实现电子定向传输与质子精准供给的双重协同。这正是突破光驱动析氢动力学限制、提升太阳能-化学能转化效率的关键所在。

成 果 介 绍

针对质子-电子输运失衡难题，本文仿生构筑S型CdIn₂S₄/Ni(OH)₂ （CIS/NOH）异质结，精准复刻天然氢化酶功能分区，依托内建电场高效分离光生载流子，同步实现高效析氢与苯甲醇定向增值氧化。同时构筑界面定向质子迁移通道，匹配电子传输节律，仿生协同强化质子耦合电子转移效率。最优双功能催化剂实现高活性同步产氢与苯甲醛合成，本工作为精准调控光催化电荷、物质协同输运，创制高效复合催化材料提供全新仿生设计思路。该文以“Hydrogen Migration Enhances Proton-Coupled Electron Transfer in an S-Scheme Heterojunction for High-Efficiency Photocatalysis”为题发表在Carbon Energy 期刊上。

研 究 亮 点

1.针对光催化析氢中电子与质子供给不同步的关键动力学瓶颈，构建了CdIn₂S₄/Ni(OH)₂异质结，提出了仿生双通道传输策略。

2.设计S型电荷转移路径实现光生载流子的空间分离，并利用氢吸附能梯度驱动质子定向迁移至电子富集位点，实现了电子与质子的时空共定位。

3.电子与质子的协同显著加速了质子耦合电子转移过程，实现了氢气与苯甲醛的高效联产，为人工光合系统的理性设计提供了全新思路。

图 文 解 析

示意图1展示了仿生光合策略设计CdIn₂S₄/Ni(OH)₂异质结

在CIS/NOH界面构建质子迁移与电子传输通道，实现电子与质子供给同步，模拟氢化酶中的分级电荷转移过程。

图1 CIS/NOH异质结合成与形貌表征

通过两步可控合成制备了CIS/NOH异质结构，SEM、HRTEM、SAED及EDS元素mapping等表征证实，CIS纳米颗粒均匀牢固地负载在NOH超薄纳米片上，二者形成晶格紧密的异质结。

图2 CIS、NOH及CIS/NOH的结构表征

采用XRD、氮气吸附、UV-Vis DRS及XPS等测试表征CIS/NOH异质结结构，其介孔多级孔结构的比表面积并非光活性提升的主因，复合材料吸收边偏移体现界面电子相互作用，而XPS结合能的反向移动直接证实电子从NOH向CIS转移并形成内建电场，有效促进载流子分离。CIS与NOH形成S型异质结，实现高效电荷分离并保留强氧化还原能力，可同步高效析氢与氧化苯甲醇。

图3 CIS/NOH异质结的电荷转移与载流子动力学

界面电子结构分析为S型电荷转移路径提供了直接证据：电荷密度差显示CIS富集电子、NOH富集空穴，态密度证明界面存在强轨道杂化与耦合；原位光照XPS中Cd、In、S结合能正向偏移而Ni、O负向偏移，证实光生电子按S型机制从CIS流向NOH并增强内建电场；飞秒瞬态吸收测试表明，复合样品在650 nm处初始信号减弱、衰减寿命延长，说明电子被快速提取且载流子复合显著受到抑制，从时间分辨层面直接证明S型异质结实现高效电荷抽取与分离。

图4 CIS/NOH异质结表面质子迁移与质子耦合电子转移机制

DFT计算、原位谱学及多项电化学测试表明，CIS/NOH异质结优化了氢吸附自由能并形成界面氢溢流通道，实现质子从CIS向NOH定向富集；结合S型异质结的高效电荷分离，电子与质子在NOH活性位点共定位，协同加速质子耦合电子转移，从而显著提升光催化析氢与苯甲醇氧化性能。

图5 CIS、NOH及CIS/NOH样品的光催化性能。

CIS/NOH-30%在耦合反应中性能最优，产氢与苯甲醛生成速率分别为纯CIS的7.5和7.4倍，选择性达90%；苯甲醇作牺牲剂效果最佳，原位DRIFTS证实其选择性氧化，催化剂AQE表现良好、性能突出且循环稳定性优异。

研 究 小 结

综上，本研究构建了高效的CIS/NOH异质结构，成功突破了光催化析氢过程中质子与电子供给不足这一关键动力学瓶颈。该体系建立了双通道机制：一方面依托S型异质结实现电荷定向分离，另一方面借助界面质子迁移路径实现质子定向输送；该设计使光生电子与迁移质子在Ni(OH)₂催化位点处空间共定位，显著加快质子耦合电子转移动力学。最终，最优催化剂在光照下实现氢气（17.96 mmol g^-1h^-1）与高附加值苯甲醛（12.63 mmol g^-1 h^-1）的高效协同制备。本研究提出了电子与质子协同调控的基础策略，为模拟天然光合系统、设计高性能光催化剂提供了全新思路。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Hydrogen Migration Enhances Proton-Coupled Electron Transfer in an SScheme Heterojunction for High-Efficiency Photocatalysis

文章研究方向：

光催化— —氢析出（HER）

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70220

DOI: 10.1002/cey2.70220

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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