ACB:武汉大学方鹏飞课题组和湖北工业大学张思忆课题组——通过碳界面超快电子提取截获载流子-缺陷捕获,以增强光催化产氢

第一作者：张思忆

通讯作者：方鹏飞

DOI：10.1016/j.apcatb.2026.126933

1. 构建了一种以NC作为电子超桥的三元肖特基异质结；

2. H₂生成速率达到17306.5 μmol g⁻¹ h⁻¹，提升了 25.3 倍；

3. 最优HER比例异质结中，超快界面电子转移（0.3 ps）将深能级捕获通道振幅从-1.14大幅削减至-0.309，深能级非辐射复合成为主导路径。

2026年5月，Applied Catalysis B: Environment and Energy杂志在线发表了武汉大学方鹏飞教授和湖北工业大学张思忆课题组在半导体光生载流子超快动力学领域的最新研究成果。该工作报道了通过构建CdIn₂S₄-NC/MoSe₂三元肖特基异质结，利用超快界面电子转移抑制缺陷能级光生载流子复合，从而大幅提升光催化析氢性能。论文第一作者为张思忆，通讯作者为方鹏飞。

CdIn₂S₄（CIS）作为一种典型的可见光响应三元金属硫化物，在光催化析氢中受到广泛关注。然而，其内部存在的硫空位等各类缺陷能级对光生载流子动力学的影响存在长期争议：缺陷究竟是作为电子捕获中心促进分离，还是作为复合中心降低效率？尤其是在深能级缺陷的作用机制方面，缺乏直接的超快动力学证据。本研究通过构筑NC作为电子传输桥的肖特基异质结，结合飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA），从载流子动力学层面揭示了浅能级与深能级缺陷的竞争机制，并发现通过超快电子提取可以有效避免深能级复合，为高缺陷硫化物光催化剂的设计提供了全新思路。

图1. 结构与形貌表征

HRTEM显示NC/MoSe₂（NCM）呈中空纳米花结构，CIS均匀负载于其表面。EDX元素分布图证实S、In、Cd、Mo、Se、C、N在21%CISNCM中均匀分布，表明三元异质结的成功构建。

图2. 光催化析氢性能

21%CISNCM的析氢速率达17306.5 μmol·g⁻¹·h⁻¹，是纯CIS（约684 μmol·g⁻¹·h⁻¹）的25.3倍，且经过4次循环后活性无明显衰减，XRD和XPS表明样品结构稳定。

图3. 能带结构与电荷转移机制

Mott-Schottky、UPS和DFT差分电荷密度共同表明：NC与CIS、MoSe₂均形成肖特基结，电子定向流向NC。ESR证实21%CISNCM产生·OH和·O₂⁻信号，支持电子在NC积累、空穴留在CIS的空间分离机制。

要点1：

通过HRTEM和EDX表征可见，NCM呈中空纳米花结构，21%CISNCM中CdIn₂S₄均匀负载于NCM表面，晶格条纹清晰显示NC/MoSe₂与CdIn₂S₄的异质界面，且S、In、Cd、Mo、Se、C、N元素均匀分布，证实三元异质结的成功构建。XPS分析显示，与纯CIS相比，21%CISNCM中Cd 3d、In 3d、S 2p均向高结合能位移，表明电子从CIS转移至NC，结合Bader电荷定量（CIS失2.65 e⁻，MoSe₂失0.13 e⁻，NC得2.78 e⁻），证实NC为电子最终受体。光催化性能测试表明，21%CISNCM的H₂析出速率达17306.5 μmol·g⁻¹·h⁻¹，是纯CIS的25.3倍，且四次循环后活性无明显衰减，结构稳定。能带与电荷转移机制分析进一步揭示，21%CISNCM可见光吸收增强、光电流密度提高、电荷转移电阻显著降低（从68551.0 Ω降至3319.6 Ω）；差分电荷密度显示电子向NC积聚；ESR证实同时产生·O₂⁻和·OH自由基，支持电子在NC积累、空穴留在CIS的空间分离机制；能带示意图表明NC作为电子超快传输桥，与CIS和MoSe₂分别形成肖特基结，电子定向流向NC。

图4 飞秒瞬态吸收光谱及载流子动力学拟合

表1. 动力学拟合参数

要点2：

纯CIS：fs-TA拟合得到三个寿命组分：τ₂=13.4 ps（浅能级硫空位捕获）、τ₃=198.4 ps（深能级捕获）、τ₄=2055.5 ps（自由电子辐射复合）。其中深能级捕获振幅A₃=-1.14。21%CISNCM：引入超快界面电子转移通道τ₁=0.3 ps（A₁=-0.018），该通道在动力学上优先于浅能级和深能级捕获。深能级捕获振幅从-1.14大幅降至-0.309（降低近4倍），同时新出现τ₄=1414.3 ps（A₄=-0.411），结合异质结相较于纯CIS稳态PL峰明显淬灭，归属为深能级束缚电子与价带空穴的非辐射复合。该通道在纯CIS中被自由电子背景掩盖，在异质结中因自由电子被快速提取而显现。结论：异质结形成后，深能级非辐射复合成为主导载流子损耗路径，表明超快电子提取有效避免深能级复合。

本工作通过构建CIS-NC/MoSe₂三元肖特基异质结，结合飞秒瞬态吸收光谱，首次在载流子动力学层面区分了缺陷能级捕获、深能级非辐射复合与自由电子辐射复合之间的竞争关系。异质结形成后，超快界面电子转移过程（0.3 ps）优先于缺陷捕获，使得深能级非辐射复合转变为主导的载流子耗散路径。该策略表明，深能级缺陷捕获自由电子通过超快界面提取可从动力学上有效抑制其负面影响。这一研究为从光生载流子动力学角度设计高效硫化物光催化剂提供了新的实验依据。

方鹏飞，武汉大学物理科学与技术学院教授、博士生导师。主持及参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、省部级重点攻关项目，以及国家电网、南方电网等大中型企业联合科技攻关项目等多项科研课题。已在国内外学术期刊发表论文230余篇，其中SCI收录190余篇，累计他引5300余次；获批国家发明专利20项，出版及参与出版学术专著4部。合作研究成果获湖南省自然科学三等奖及南方电网科技进步一等奖各1项。

张思忆，湖北工业大学理学院硕士生导师，武汉大学理学博士（2023年）。主要从事半导体材料的光生载流子动力学研究。以唯一第一作者在 Appl. Catal. B、Chem. Eng. J.、J. Colloid Interface Sci.等国际权威期刊发表SCI论文多篇，总引用329次。 

S. Zhang, et al. Intercepting carrier–defect trapping via ultrafast electron extraction across carbon interface to boost photocatalytic H₂ evolution. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2026, 396,126933

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126933

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