二维Cu2?xS/CdS异质结纳米片通过阳离子交换实现高效光催化析氢

这篇研究通过阳离子交换法构建了具有可调Cu/Cd比例的二维Cu2?xS/CdS异质结纳米片，实现了7.6倍于纯CdS的光催化析氢（HER）性能（5.75 mmol g?1 h?1）。研究揭示了外延界面（epitaxial interface）和II型能带排列（type-II band alignment）对电荷分离的协同作用，为太阳能-氢能转换提供了新型高效催化剂设计范式。

　　

1 引言

绿色氢能作为碳中和关键载体，亟需开发高效光催化剂。金属硫化物（如CdS）虽具有可见光吸收（≈2.4 eV）和适宜导带位置（?0.51 V vs. NHE），但面临电荷快速复合和光腐蚀问题。研究通过构建二维Cu_2?xS/CdS异质结，利用p型Cu_2?xS（1.56 eV带隙）作为空穴受体，形成空间电荷分离的II型能带结构，同时外延界面（晶格失配仅?0.45%）显著提升界面电荷转移效率。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

通过铜硫氰酸盐（CuSCN）热分解和三辛基膦（TOP）辅助阳离子交换，成功制备Cu_2?xS/CdS-n（n=55,65,80）系列纳米片。HAADF-STEM显示CdS（绿）与Cu_2?xS（红）域空间分离（图1c），XRD证实roxbyite相Cu_1.81S与greenockite CdS共存。原子级HRTEM显示界面处Cu_2?xS（008）面（0.194 nm）与CdS（21ˉ0）面（0.207 nm）外延匹配（图2d）。

2.2 光催化性能

Cu_2?xS/CdS-65在420 nm光照下析氢速率达5.75 mmol g^?1 h^?1，表观量子效率（AQE）为0.80%。瞬态光电流测试显示其稳态电流密度（?1.0 mA cm^?2）较纯CdS提升10倍（图5c），EIS证实其电荷转移电阻最低。

2.3 能带结构与机理

XPS显示异质结中Cu 2p结合能负移0.9 eV而Cd 3d正移0.1 eV，证实电子从CdS向Cu_2?xS转移（图4a-b）。莫特-肖特基测试测得p型Cu_2?xS的平带电势（E_FB）为+0.65 V vs. NHE，n型CdS为?0.44 V，形成内置电场驱动电荷分离（图4f）。

2.4 构效关系

PL寿命测试揭示Cu_2?xS/CdS-65平均寿命（τ_avg=3.46 ns）最短，表明高效电荷转移。火山型活性趋势（65>55>80）说明需平衡界面电荷分离（55% Cd）与CdS活性位点数量（80% Cd），65% Cd时二者达到最优协同。

3 结论

该工作通过精准阳离子交换构建了外延Cu_2?xS/CdS异质结，阐明了组分比例-界面结构-光催化活性的调控规律，为二维光催化剂设计提供了新思路。