ACS Catal.：界面配位键驱动电荷传输用于高性能光电化学水分解

云深

2026-03-16

全文概要

安徽建筑大学王秀芳和中国科学技术大学的Yaner Ruan、Chengming Zhang等研究团队报道了一种通过在SnS₂/CdS异质结界面引入定向Sn-SO₄²⁻-Cd配位键，并负载聚苯胺（PANI）作为空穴传输层，来构建高性能光阳极的策略。 实验结合密度泛函理论计算表明，这种界面配位键不仅作为电荷迁移的定向通道，还增大了界面处的费米能级差，从而显著增强光生载流子的分离与传输效率。优化后的SO₄²⁻-SnS₂/CdS-PANI光阳极在1.23 V vs. RHE下实现了1.83 mA·cm⁻²的光电流密度，是纯SnS₂的约11.4倍，并表现出优异的稳定性和电荷注入效率。

本文要点

1. 界面设计：通过柠檬酸钠处理在SnS₂表面引入亲水性SO₄²⁻基团，该基团锚定于硫空位处，并与后续生长的CdS形成Sn-SO₄²⁻-Cd定向界面配位键。此结构有效钝化了表面缺陷，增强了界面耦合，为电荷转移提供了原子级通道。

2. 能级调控：紫外光电子能谱和理论计算证实，SO₄²⁻基团的引入改变了SnS₂的功函数，显著增大了与CdS之间的费米能级差（从0.46 eV增至0.63 eV）。增强的内建电场为光生电子的定向迁移提供了更强的驱动力。

3. 性能飞跃：SO₄²⁻-SnS₂/CdS-PANI光阳极在1.23 V vs. RHE下光电流密度达1.83 mA·cm⁻²，IPCE为31.26%，ABPE达0.76%。其电荷分离效率（74.19%）和注入效率（57.90%）均远优于对照样品，且在20小时测试中表现出卓越的稳定性。

4. 机理阐明：强度调制光电流谱和电化学阻抗谱表明，界面配位键显著提高了电荷转移速率常数（$k_{\text{trans}}$），并降低了复合速率常数（$k_{\text{rec}}$）。DFT计算进一步揭示，Sn-SO₄²⁻-Cd键优化了活性位点的电子结构，将水氧化反应中*OH形成的能垒从1.25 eV（SnS₂）降低至0.78 eV。

文献详情

Ping Li, Kai Chen, Ge Ge, et al. Interface Coordination Bonding-Driven Charge Transport for High-Performance Photoelectrochemical Water Splitting, ACS Catal. (2025) DOI: 10.1021/acscatal.6c00027

全文链接

https://doi.org/10.1021/acscatal.6c00027