乔世璋/冉景润AFM：等离激元能量上转换立大功，有效强化Cu7S4/MxSy Janus原子结多功能光催化

发展光催化技术，利用可再生/清洁的太阳能生产绿色燃料(如过氧化氢、氢气等)和高附加值的有机化学品具有重要意义。但是，光催化剂的低效率和高成本仍然制约着太阳能-化学品的转化。

近年来，光催化剂的原子级设计和工程化是实现高活性、高稳定性和廉价光催化剂开发的有效策略。特别地，在原子尺度上调控异质/均质结可以形成原子级化学键界面，从而显著提高整体光催化性能。

然而，由于对相容元素和晶体结构的严格要求，原子级化学键合结(原子结)的成功通用设计/合成具有挑战性且鲜有报道。

基于此，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋和冉景润等以六方相Cu₇S₄纳米盘为模板，通过阳离子交换法合成了一系列Cu₇S₄/M_xS_y (M=Cd，Ni，Mn)Janus原子结(JAJs)。具体而言，研究人员通过对合成条件的精确调控，首次实现了六方纳米盘形貌的保留和原子级化学键合界面结构的构建。

这种Janus原子异质结构可以促进光的吸收，并在Cu₇S₄和另一种半导体之间形成紧密的异质结，促进光生载流子在Janus异质结界面附近的转移，从而提高催化活性。

光催化性能测试结果显示，所有合成的Cu₇S₄//M_xS_y (M= Cd，Ni，Mn) JAJs在纯水中的光催化过氧化氢(H₂O₂)产量均明显高于未掺杂的Cu₇S₄。其中，在可见-近红外光/近红外光辐照下，优化的Cu₇S₄/CdS (CCS) JAJ在苯甲醇(BA)溶液中表现出优异的光催化产H₂O₂性能(2.93/0.24 mmol g^-1 h^-1)；此外，作为一种多功能光催化剂，在可见-近红外光/近红外光辐照下，优化的CCS JAJ表现出超高的产H₂(102.6 mmol g^-1 h^-1/44.1 μmol g^-1 h^-1)和苯甲醛(BAD；85.9/23.4 mmol g^-1 h^-1)活性。

机理实验表明，在可见光照射下，Cu₇S₄和CdS的带间跃迁都被激发。然后，CdS的CB上的光生电子将迁移到Cu₇S₄的VB上与光生空穴重新结合，Cu₇S₄的CB上的光生电子和具有较强氧化还原能力的CdS的VB上的光生空穴可以被保留下来用于后续的氧化还原反应；在近红外光光照射下，在Cu₇S₄中同时产生光激发的热电子和空穴。

然后，热电子被转移到CdS的CB上，在H₂O分子存在的情况下生成H₂O₂分子。同时，热空穴首先被Cu₇S₄中的陷阱态捕获，然后转移到CdS的VB中，其中一些热空穴氧化BA分子产生氧化产物，另一些热空穴被CdS中的陷阱态捕获。

综上，该项工作不仅证明了原子级工程是设计/合成用于太阳能到化学转化的高性能光催化剂方面的有效策略，而且为近红外光驱动的等离激元能量上转换用于太阳能燃料生产提供了独特见解。

Cu₇S₄/M_xS_y (M=Cd, Ni, and Mn) Janus Atomic Junctions for Plasmonic Energy Upconversion Boosted Multi-Functional Photocatalysis. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202304912