近日，新能源动力研究所江治副教授提出了一种基于 n 型硫化物半导体的高效、稳定 Z 型全解水体系，在可见光和常压条件下可直接制备高纯氢气。研究成果“Efficient and stable n-type sulfide overall water splitting with separated hydrogen production”发表在期刊Nature Communications上。博士生罗皓霖为论文第一作者，江治副教授、浙江大学陆俊教授为共同通讯作者。
在全球能源转型背景下，利用太阳能直接将水分解成氢气被认为是实现绿氢生产的理想途径。其中，硫化物基半导体因其优异的可见光吸收能力和析氢半反应活性，被视为极具潜力的光催化剂。然而硫化物基半导体尤其是n型硫化物，在实际应用中面临光腐蚀和电荷传输的双重挑战，难以实现化学计量比的水分解。以CdS为例，其虽具有高电子迁移率和宽光谱吸收等优势，但难以实现高效稳定的整体水分解，成为该领域的关键瓶颈。对此，研究构建了以可逆 [Fe(CN)₆]³⁻/[Fe(CN)₆]⁴⁻电对为电荷传递介质的液相 Z 型体系。其中，CdS作为析氢光催化剂，BiVO₄作为析氧光催化剂，两者均为 n 型半导体材料。该机制不仅突破了传统固态 Z 型体系对材料类型的限制，还具有在产气源头直接实现氢氧分离的潜力，有助于消除氢氧混合所带来的安全风险。该体系在450 nm光照下实现了10.2%的表观量子效率。
本研究构建的稳定体系包含三项创新策略：首先，在析氢端，通过 Pt@CrOₓ + Co₃O₄ 的双助催化剂设计，将CdS的析氢产率提升至568 μmol·h⁻¹，相比裸CdS提高了数百倍，大幅提升了CdS在介质中的析氢反应动力学并抑制了可能的副反应；在析氧端，通过钴离子诱导表面局部结构调变，显著增强了 BiVO₄ 的空穴转移特性和析氧活性（提升4-5倍）。其次，研究揭示了一个新的失活机理，即介质诱导的Fe₄[Fe(CN)₆]₃（普鲁士蓝类物质）表面沉积是导致体系失活的关键因素，并提出双氧化物包覆策略，有效抑制光腐蚀和界面钝化，使体系在长时间连续循环中保持稳定。最后，研究在双室反应器中成功演示了纯氢气和纯氧气的空间分离生产，有效降低了传统光催化体系中氢氧气体分离带来的额外成本和安全隐患。该研究成果不仅证明了n型硫化物可以实现高效稳定的整体水分解，打破了其“易腐蚀、不适用于全分解水”的传统认知，为构建高效、稳定、安全的太阳能制氢系统提供了新路径。
新能源动力研究所上官文峰教授、日本信州大学Domen教授、冈山大学Yamakata教授、中国科学技术大学武晓君教授、格利菲斯大学Adam Lee教授等为本研究提供了重要支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63840-1
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