Nickel carrier transfer bridge for improved photocatalytic water splitting of Zn2GeO4

镍载流子传输桥促进Zn₂GeO₄光催化分解水性能提升

作者信息：

Ruiqing Zou ^a b, Sibi Liu ^a b, Jie Su ^c, Weiheng Ding ^a b, Yijin Wang ^a b, Fei Yan ^a b, Peng Guo ^a b, Junchao Zhou ^a b, 

Youzi Zhang ^a b, Xuanhua Li ^a b

a State Key Laboratory of Solidification Processing, Center for Nano Energy Materials, School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an, 710072, China

b Research and Development Institute of Northwestern Polytechnical University, Shenzhen, 518057, China

c State Key Discipline Laboratory of Wide Band Gap Semiconductor Technology, Shaanxi Joint Key Laboratory of Graphene School of Microelectronics, Xidian University, Xi'an, 710071, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100006

文章介绍：

光催化分解水制氢技术被视为解决当前全球能源与环境危机的最有效途径之一。近年来，金属氧化物因其稳定性高、储量丰富且无毒等优势，成为极具前景的光催化剂材料，在光解水领域获得广泛应用。其中，Zn₂GeO₄（ZGO）凭借高载流子迁移率和导电性[7-9]展现出突出潜力，但严重的载流子复合问题制约了其光催化性能。

构建ZGO基异质结被认为是提升载流子分离效率与光催化活性的有效策略。一方面，单金属助催化剂（如贵金属Au、Pt、Ag及过渡金属Ni、Fe等）可通过提供表面反应活性位点并增强载流子迁移效率来改善性能；另一方面，通过能带结构匹配的半导体复合可诱导光生载流子定向转移，促进电荷分离。Wang等构建ZGO/ZnS紧密异质结显著提升了产氢性能；Hou等通过ZGO/CdS复合体系提高了载流子分离效率；后续研究还发现，在ZnO/Zn₂GeO₄异质结表面沉积Cu助催化剂可增强光吸收并抑制电子-空穴复合。然而，现有ZGO异质结仍存在界面匹配不足导致的载流子复合问题，开发具有理想界面匹配的ZGO异质结光催化剂仍是实现高效光解水的关键科学挑战。

本研究通过部分氧化策略构建了金属镍桥联（Ni中间层）的NiO-Ni-ZGO光催化剂。Ni部分氧化形成的NiO与ZGO形成完美匹配界面，而未氧化的Ni作为载流子传输桥促进光生载流子的转移与分离。原位拉曼表征中一级声子模与羟基的协同变化揭示：NiO作为产氢活性位点，ZGO主要提供载流子。此外，金属镍中间层显著降低了光生载流子传输阻力，并在产氢过程中获得势垒下降效应。最终NiO-Ni-ZGO的产氢性能较纯ZGO实现大幅提升，优于已报道的ZGO基光催化剂。

中文摘要：

光催化分解水技术可将太阳能转化为氢能，对降低化石能源依赖具有重要意义。构建异质结是促进电荷转移的通用策略，但界面匹配不佳往往限制其电荷分离效率与光催化活性。本研究通过部分氧化策略，设计出具有镍金属桥接层（Ni夹层）的NiO-Ni-Zn₂GeO₄光催化剂，实现了优异的界面匹配。结构表征与原位拉曼分析表明：镍夹层显著优化了界面结构匹配，并引发声子振动模式从一级纵波向一级横波的转变，证实NiO成为产氢与表面反应的活性位点。该镍夹层为载流子分离提供了高效电荷传输通道，密度泛函理论计算进一步揭示其使氢氧键断裂能垒降低36%。最终，NiO-Ni-Zn₂GeO₄的光催化产氢速率达到206.6 μmol·g⁻¹·h⁻¹，较纯Zn₂GeO₄提升8倍以上。该研究为设计界面匹配良好、电荷分离高效的新型异质结提供了创新思路。