基于对世界能源危机的深刻认识，开发利用可再生能源成为当今能源领域的研究重点。在众多种类的可再生能源中，太阳能以其所具有的储量大、分布广以及环境友好等诸多优点，成为了最具有开发利用价值的能源形式之一。尽管太阳能已经在光热和光伏领域得到了大力的发展，但
光照的不连续性使得这些利用方式无法满足持续能源供应的要求
。因此，寻求将太阳能转化成为能够灵活使用的化学能的方法成为了科研工作者们关注的重点。其中，光电化学催化水分解制氢是具有广阔应用前景的太阳能转化利用体系。开发高活性、高稳定性的廉价光电催化电极材料是实现这一体系的重中之重，具有十分广阔的意义。
制备具有上述特性的光电催化电极材料可以从
材料设计和结构设计
两个方面出发。首先，在材料设计方面，采用
异质
结
催化剂能够有效促进催化过程中光生电子和空穴的有效分离。与此同时，如果组成异质结的两种半导体材料具有不同的禁带宽度，那么其所构成的光催化剂便能够实现对于更宽波长范围光谱的吸收，从而提高整体的光吸收利用效率。其次，在结构设计方面，
空心结构
能够有效的提高材料的比表面积，进而提高光催化活性中心的数量。同时，空心结构能有效的降低光生载流子传输到催化剂表面的距离，从而进一步提高催化效率。更值得注意的是，复杂空心结构可以增强光在材料中的散射现象，提高其对光的吸收与利用，进而提高整体的活性。基于对以上两点的理解，
新加坡南洋理工大学
的
楼雄文
教授
团队从材料与结构两个方面着手将，提出了基于金属有机框架材料的合成方法（图
1
），制备出了具有
多层空心结构
ZnS-CdS
光电催化电极材料
，实现对其
组成与结构的可控合成
，并对其在光电化学催化水分解应用中的性能进行了研究。
图
1.
多层空心结构
ZnS-CdS
光电催化电极材料合成方法示意图。
研究团队首先采用单宁酸作为刻蚀剂对
ZIF-8
菱形十二面体（图
2A,B
）进行化学刻蚀，获得具有
yolk-shell
结构的
ZIF-8
（图
2C,D
）。而后采用硫代乙酰胺作为硫化剂，对所获的的中间产物进行硫化处理，获得具有多层空心结构的
ZnS
（图
2E,F
）。对所得到的多层空心
ZnS
材料进行阳离子交换反应，获得了具有多层空心结构
ZnS-CdS
光电催化电极材料（图
3
）。
图
2.
制备具有多层空心结构
ZnS-CdS
光电催化电极材料的前躯体和中间体结构的表征。（
A,B
）
ZIF-8
菱形十二面体；（
C,D
）具有
yolk-shell
结构的
ZIF-8
菱形十二面体；（
E,F
）具有多层空心结构的
ZnS
菱形十二面体。
图
3.
具有多层空心结构
ZnS-CdS
菱形十二面体的结构与组成的表征。
通过对阳离子交换反应时间的改变，
ZnS
与
CdS
在催化剂中的比例可以得到有效调控。于此同时，通过采用具有不同尺寸的
ZIF-8
前躯体或去除化学刻蚀步骤，可以制备具有
1-5
层结构的
ZnS-CdS
光电催化电极材料（图
4
）。
图
4.
具有不同层数空心结构
ZnS-CdS
菱形十二面体的结构表征。
所合成的具有多层空心结构的
ZnS-CdS
菱形十二面体作为光电催化电极材料表现出了差异化的性能（图
5
）。在光电流密度（
J-V
曲线）的表征和光电转化效率（
IPCE
）的表征中可以发现，通过
120
分钟阳离子交换反应所得到具有三层空心结构的
ZnS-CdS
菱形十二面体表现出了最为优异的活性，具有明显的组成与结构上的优势。该工作证明了复杂空心结构在能源转化与利用中的广阔前景。
图
5.
具有不同组成的多层空心结构
ZnS-CdS
光电催化电极材料的活性表征。
这一成果近期发表在《
Chem
》上，第一作者是新加坡南洋理工大学张鹏博士，通讯作者是楼雄文教授。
该论文作者为：Peng Zhang, Bu Yuan Guan, Le Yu, Xiong Wen (David)Lou*
原文链接:
http://www.cell.com/chem/abstract/S2451-9294(17)30446-1
课题组主页
http://www.ntu.edu.sg/home/xwlou/
Chem相关内容链接：
1.
厦门大学王野教授团队Chem：合成气直接制芳烃
