通过光催化分解水将可再生的太阳能转化为化学燃料是解决当前日益严重的能源短缺和环境恶化的最具前景途径之一。在各种开发的半导体光催化剂中，过渡金属硫化物因其较窄的禁带宽度和适合质子还原的导带电势被广泛应用于光催化分解水产氢反应。特别地，过渡金属硫化物空心纳米结构（空心纳米球、纳米管、多壳层纳米笼等）已成为当前光催化产氢研究的热门材料，这主要源于它们吸引人的结构优势，包括增强的光俘获、较短的载流子从体相到表面的迁移距离以及加速的催化反应动力学等。此外，Z型半导体异质结由于能够同时具备空间分离的氧化还原位点和强氧化还原能力引起了研究者们的浓厚兴趣。对于异质结光催化剂来说，其稳定性和电荷传输效率与其界面连接的紧密性密切相关，而缺陷介导的异质结构筑则为紧密异质界面的设计提供了有效途径。另一方面，异质结的内建电场操控着电荷载流子的传输和分离过程，因此对光催化活性的提高起到了重要作用。通过放大异质结各组分的费米能级差异可以增强其内建电场，这有利于提供更强的驱动力加速光生载流子的界面传输和分离，从而提高光催化性能。尽管元素掺杂或缺陷工程可以通过改变功函数来调节半导体的费米能级，目前在Z型半导体异质结方面的相关研究仍然很有限，有待于进一步的深入。

基于上述原因，青岛科技大学王磊教授团队基于In-MOF牺牲模版法构筑了具有强化Z型电荷传输的管状Ni_1-xCo_xS₂-CdS异质结构。通过DFT计算结合XPS、SPV和自由基测试证实了Ni_1-xCo_xS₂-CdS异质结存在Z型电荷转移路径。研究发现，使用柠檬酸钠络合剂可以促进紧密异质界面的形成；NiS₂中掺杂Co可以增大CdS与NiS₂之间的费米能级差异，这增强了Ni_1-xCo_xS₂-CdS异质结的内建电场和光生载流子传输的驱动力，因此显著提升了光解水产氢的活性。在可见光(λ > 400 nm)辐照下，Ni_1-xCo_xS₂-CdS异质结展示出了高达35.94 mmol·g^-1·h^-1的产氢速率，相应的420 nm处的表观量子效率为34.7%，显著优于3 wt% Pt负载的CdS以及大部分文献报道的CdS基复合光催化剂。本工作的研究内容能够为通过优化形貌和界面电荷传输来开发高性能的Z型异质结光催化剂提供新的思路。

图1 管状Ni_1-xCo_xS₂-CdS异质结构的合成示意图。

图2 （a）NiS₂-CdS异质结的优化结构模型。（b,c）NiS₂-CdS异质结电子密度差的侧视和顶视图。（d）NiS₂-CdS异质结沿c-轴方向的面平均电子密度差。

图3 CdS，Ni_1-xCo_xS₂和Ni_1-xCo_xS₂-CdS的（a）SPV响应和（b）DMPO-·O₂^-加和物的EPR信号（辐照7分钟）。

王磊教授简介：王磊，教授，山东省杰青，泰山学者青年专家，青岛科技大学崂山学者，博士生导师，青岛科技大学环境与安全工程学院院长。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室。长期从事绿色能源和多孔催化相关领域研究，已在Nat.Commun.，Angew.Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct.Mater.，ACS Nano，ACS Cent.Sci.，Energy Storage Mater.，Nano Energy，Appl. Catal. B: Environ.，中国科学和科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文二百余篇，主持国家级和省部级项目十余项，获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共六项。

Jiang C, Qiu Y, Xin X, et al. MOF-templated tubular Ni_1−xCo_xS₂-CdS heterojunction with intensified direct Z-scheme charge transmission for highly promoted visible-light photocatalysis. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6636-z.