利用太阳光和水这两种地球上最丰富的自然资源，以2:1的化学计量比生产氢气（H2）和氧气（O2），在实现碳中和方面具有巨大潜力。与光电化学分水等某些太阳能制氢技术相比，光催化整体水分解（photocatalytic overall water-splitting）技术无需外部偏压或电路，降低了系统成本，并减轻了光催化剂的腐蚀、稳定性和安全性问题。由此可知，基于半导体的光催化整体水分离是一种理想的太阳能到化学能转换途径。然而，混合系统中反应路径长、活性位点分布随机，限制了其光催化活性。因此就需要在太阳能制氢系统中开发具有高太阳能转化为氢气（solar-to hydrogen，STH）效率的光催化剂。

金属硫化物因其合适的能带、可设计的结构和优异的光电特性而被认为是前景广阔的光催化剂。具有代表性的金属硫化物如ZnIn2S4、MoS2、WS2 和 In2S3 等已被广泛应用于光催化水分离领域。其中，ZnIn2S4（ZIS）是一种典型的三元层状金属卤化物半导体，具有约2.44 eV 的合适带隙和 -0.43 eV 的导带电位，具有吸收可见光的能力和较强的还原能力，可通过水分裂产生 H2。围绕 ZIS 光催化剂，许多策略都实现了提高 H2 生成性能，如构建 Z 型硫空位 ZIS 与其他半导体的异质结构、在 ZIS 纳米片中掺杂原子铜诱导 S 空位、在 ZIS 的硫原子位点中掺入阴离子位点氧，以及调制突出单个铂原子的共催化剂，但它们都无法实现高效稳定的整体分水反应。提高水分离效率的关键挑战之一是单一光催化剂中活性位点的均匀组成和一致的电子结构。此外，ZIS 光催化剂中的硫原子极易被光生空穴氧化，导致其不稳定。这些瓶颈导致惰性基阻碍氧气的产生，最终导致整体分水性能低下。

有鉴于此，材料学院李炫华教授团队设计了一种畸变诱发阳离子位O 掺杂的 ZIS（D-O-ZIS），以打破其相邻原子位点之间成分的均一性，实现高性能的整体水分离。

研究亮点：

亮点1.ZnIn2S4（D-O-ZIS）的畸变诱发阳离子位氧掺杂在相邻原子位点之间产生了显著的电负性差异，在 S1-S2-O 位点的局部结构中，S1 位点富电子，S2 位点缺电子。

亮点2.强烈的电荷再分配特性激活了S2 位点上稳定的氧反应，避免了金属硫化物光催化中常见的硫不稳定问题，而 S1 位点则有利于氢的吸附/解吸。

亮点3.D-O-ZIS 实现了全面的水分离反应，太阳能-氢气转换效率高达 0.57%，120 小时光催化测试后的保留率约为 91%。

在这项工作中，研究者从电负性差异的角度启发了一种通用设计，以激活和稳定金属硫化物光催化剂，从而实现高效的整体水分离。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-44725-1

（文字：段慕松；审核：蔡利剑）