第一作者：赵雪雯（西安交通大学）；白晓璐（北京理工大学）；高钰婷（西安交通大学），翟锐（西安交通大学）
通讯作者：张锦英（西安交通大学）、王少彬（澳大利亚阿德莱德大学）、宋寅（北京理工大学）和刘志杰（西安交通大学）
论文DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125166
近日，西安交通大学张锦英教授和刘志杰副教授、北京理工大学宋寅教授和阿德莱德大学王少彬教授合作，在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》期刊上发表了题为“Trap Engineering in Violet Antimony Phosphorus: Modulating
Photoelectron Transfer Pathways for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution”的研究论文，探讨了紫磷锑（VPSb）通过调节光电子转移路径提高其光催化氢气生成效率。研究采用等离子体处理引入浅陷阱态，抑制光生电子-空穴对的复合，进而显著提升了VPSb的氢气生成性能。通过时域吸收光谱（TAS）分析，研究人员发现陷阱态能够有效地延长电子的寿命并促进电子向共催化剂Pt的转移。研究结果表明，VPSb在引入陷阱工程后，其光催化氢气生成速率大幅提高，达到5216 μmol g
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，显著超过其他已报道的非金属半导体光催化剂。
针对目前光催化氢气生成反应中光生电子-空穴对复合问题，本研究重点探索了如何通过调节光电子转移路径提高紫锑磷（VPSb）的光催化氢气生成性能。通过陷阱工程引入磷和锑空位，在VPSb中创造了浅陷阱态，有效地调节了光电子的转移路径。通过时域吸收光谱（TAS）实验，研究揭示了VPSb和VPSb-v中光生电子的转移动态。TAS结果显示，在VPSb-v中，光生电子从陷阱态向共催化剂Pt的转移显著加速，衰减时间从6892 ps缩短为542 ps，而从陷阱态到基态的衰减时间则显著延长，从235 ps增加到10982 ps，表明陷阱态有效地延长了电子的寿命并促进了电子的转移。这些结果表明，VPSb-v中的陷阱态不仅有助于抑制光生电子和空穴的复合，还能优化光电子的转移路径，从而大幅提高光催化氢气生成速率，达到了5216 μmol g
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，远超VPSb及其他非金属半导体光催化剂。研究表明，调节光电子转移路径是提升光催化性能的有效策略。
光催化氢气生产作为一种利用太阳能进行水分解的可持续能源转换技术，具有重要的应用前景。然而，光催化效率的提高受到光生电子-空穴对复合的限制，这一问题导致了传统光催化材料在太阳光照射下的效率较低。为了提高光催化性能，研究者们采用了多种方法来优化光生载流子的分离效率，例如通过缺陷工程、异质结构建等手段来调节电子转移路径。
紫锑磷（VPSb）作为一种新型的二维半导体材料，由于其较小的带隙和较好的可见光吸收能力，展现了较好的光催化性能。然而，VPSb仍面临光生载流子复合问题，限制了其光催化氢气生成效率。因此，提高VPSb的光催化效率，尤其是在光生载流子的分离和转移方面，成为进一步优化其性能的关键。
本研究通过陷阱工程引入磷和锑空位，在VPSb中创造了浅陷阱态，调节了光电子的转移路径，从而有效抑制了光生载流子的复合。通过时域吸收光谱（TAS）实验，研究揭示了陷阱态对光生电子的转移路径的影响，成功提高了VPSb的光催化氢气生成速率。本研究为调节光电子转移路径提供了新的思路，为高效光催化材料的设计和应用奠定了基础。
Fig.
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Schematic illustration
of the dielectric barrier discharge treatment of VPSb-v.
材料合成中，首先将VPSb纳米片均匀放置于等离子体处理区的中心位置，以确保在放电区内的均匀分布。随后，设置高压脉冲电源的放电电压为10 kV，并以稳定流速100 cm
3
/s将氮气引入放电反应区，反应结束后将氮气排出装置。整个放电过程持续了60分钟，且在整个过程中装置被放置在通风柜内。经过处理后，得到VPSb-v样品，并将其保存在真空环境中以保持其活性。
Fig. 2
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(a)
Photocatalytic H
2
evolution performance and (b) rates of photocatalytic H2
evolution on VPSb-v (red), VPSb (blue) and VP (black) in deionized water (50
mL) under irradiation for 4 h using samples (10 mg), ascorbic acid (0.2 M) and
Pt (1.0 wt.%), (c) photocatalytic stability of VPSb-v (red), VPSb (blue) and VP
(black) in deionized water (50 mL) under irradiation for 16 h using samples (10
mg), ascorbic acid (0.2 M) and Pt (1.0 wt.%), (d) diffuse reflectance spectra
based on Kubelka-Munk function, (e) valence band XPS, (f) deduced band edges of
VP, VPSb and VPSb-v according to vacuum.
VPSb-v表现出显著更高的氢气生成速率，达到了5216 µmol/h/g，远高于VPSb（1213 µmol/h/g）和VP（310
µmol/h/g）。VPSb-v的氢气生成速率是VPSb的四倍以上，是VP的16倍。此外，VPSb-v的氢气生成速率也明显高于其他已报道的非金属半导体光催化剂。
Fig. 3.
The fitting models for (a) VP, (d) VPSb and (g)
VPSb-v. Time traces of representative TAS peaks for (c) VP, (f) VPSb and (i)
VPSb-v. Dashed line: experimental data; solid line: the fittings obtained from
the global-target analysis. Species-associated spectra of different
compartments from the global-target analysis for (b) VP, (e) VPSb, and (h)
VPSb-v.
为阐明光电子转移机制，对所有样品的TAS数据进行了全局目标分析，并应用了多种动力学模型进行拟合。结果表明，VP的TAS可以通过四分区模型进行描述，而VPSb和VPSb-v的TAS则通过包含陷阱态的动力学模型进行拟合。TAS结果显示，VPSb和VPSb-v中的热化载流子首先放松到陷阱态（C2），并通过两个路径进一步转移：一是快速转至基态，二是通过两个步骤转至C3再转至C4。C3和C4的谱图显示主GSB峰和宽PA带，且C4的寿命为1.5 ns。VPSb-v中，C2到C3的转移时间常数为543 ps，显著快于C2到基态的衰减。结合从C1到C3的快速转移，表明VPSb-v中的光生电子能够高效地转移到共催化剂Pt。而在VPSb中，光生电子则沿两条路径转移：一条通向共催化剂Pt进行氢气生成反应，另一条则进入陷阱态发生复合。因此，我们得出结论，VPSb-v中的陷阱态作为电子储存库，有效促进了电子和空穴的分离，防止了电子-空穴复合，显著提升了光催化氢气生成性能。
这项工作报道了通过引入磷（P）和锑（Sb）空位，采用陷阱工程调节紫锑磷（VPSb）的光电子转移路径，显著提高了VPSb-v的光生载流子分离效率，从而大幅提升了其光催化氢气生成性能。通过TAS实验，发现引入磷和锑空位后，VPSb-v的光生载流子转移动力学发生了显著变化。VP的GSB峰在1.5 ps内迅速消失，而VPSb和VPSb-v分别为20 ps和50 ps，这表明VPSb-v的载流子寿命得到显著延长。VP的TAS数据通过顺序模型拟合，而VPSb和VPSb-v的TAS数据则通过包含陷阱态的三分区模型拟合效果最佳。研究发现，VPSb和VPSb-v中的陷阱态显著降低了复合速率，使得从陷阱态到共催化剂Pt的衰减时间从VPSb的6078 ps缩短至VPSb-v的542.7 ps，从陷阱态到基态的衰减时间则从VPSb的235.7 ps延长至10982.0 ps。VPSb-v中的陷阱态作为电子储存库，有效促进了光生电子-空穴对的分离，减少了复合，显著提高了光催化氢气生成性能。VPSb-v的光催化氢气生成速率达到了5216 µmol/h/g，且具有极高的循环稳定性。
张锦英
，西安交通大学电气学院教授，博士生导师，陕西省教科文卫体系统五一巾帼标兵，西安市高层次人才，陕西省中青年科技创新领军人才。2000年华中科技大学获得焊接和财务管理双学士学位后保送清华大学机械系攻读硕士学位，并于英国牛津大学获得量子信息处理博士学位，于2009年加入日本名古屋大学物理化学组从事博士后工作。2013年加入西安交通大学电气学院新型储能与能量转换纳米材料研究中心，主要从事新型低维度介稳态纳米结构的设计、性能、合成与储能方面的应用。在Nat. Commun., Nano Lett., Acs Nano，Angew.
Chem. Int. Ed，Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等权威杂志发表100多篇SCI论文，授权发明专利14项（一项美国专利），主持国家自然科学基金、国家重点实验室、省自然科学基金十余项。
王少彬
，澳大利亚阿德莱德大学化学工程学院教授。荣获澳大利亚研究理事会（ARC）杰出研究员称号。研究领域包括纳米材料的合成与应用，包括吸附与催化、燃料与能源转换等方向。已发表超过800篇期刊论文，总引用次数超过9万，H指数为169。曾获2012年澳大利亚汤姆森路透引文与创新奖和2023年阿德莱德大学研究卓越奖，并被评为2016-2022年克拉里维特分析公司工程学、化学及环境/生态领域的高被引研究员。现任《Applied Catalysis B:
Environmental and Energy》期刊主编，《Journal of Colloid
Interface Science》联合主编，以及《Chemical Engineering Journal
Advances》《Carbon Research》等期刊副主编。
宋寅
，北京理工大学光电学院准聘教授，博士生导师。主持国家级青年人才计划等多个省部级以上项目。长期从事先进光学仪器、超快二维光谱和超快动力学的研究，发明了首套多光谱多维光谱装置，探测波段涵盖紫外到中红外(250-10000nm)，时间窗口涵盖飞秒(10^(-15))到秒，可测量物理、化学、生物和材料等学科领域中复杂体系动力学。基于发明光谱系统，在光伏电池和光合作用领域进行了一系列的探索并取得了突破性的研究成果，相关研究成果以第一作者/通讯作者发表于Nature Communications, Chemical
Science，Journal of Physical Chemistry Letters, Review
of Scientific Instruments等期刊上，目前担任Journal of Physical
Chemistry Letters, Journal of Chemical Physics等期刊审稿人。
刘志杰
，西安交通大学电气学院副教授，博士生导师，主要从事医工交叉研究，包括脉冲放电等离子体技术开发、等离子体处理水技术、等离子体在生物医学和能源环境方面研究工作。荣获等离子体及应用专业委员会2022年度“优秀青年学者”。共主持科研项目10余项，其中国家自然科学基金面上项目 1 项、 国家自然科学基金青年项目 1 项、国家博士后特别资助项目2项（12和14批）、国家博士后面上资助项目2项（61和69批）、陕西省博士后面上资助项目1项、陕西省自然科学基金青年项目 1 项、四川省中央引导地方科技发展专项项目1项、四川省自然科学基金面上项目 1项、中央高校基本科研业务费项目1项、重点实验室开放基金5项等；参与了国内首个等离子体医学方面的国家自然基金重点项目、电工口首批国家自然基金原创探索计划项目和173军工项目等。共发表SCI论文100余篇，其中以第一作者和通讯作者在 Appl. Catal. B Environ., Chem. Eng. J., Appl. Phys. Lett., Plasma
Sources Sci. Technol.等期刊发表论文 50篇，累计引用1700余次，H因子 25，其中被选为Plasma Process Polym 期刊封面论文3篇，入选 Appl. Phys. Lett. Featured article 并被 AIP
Scilight 专访报道论文1篇，IOP中国区高被引论文1篇。担任中国电工技术学会高级会员、中国环境学会高级会员，授权发明专利10余项，在国内外学术会议作报告10余次，担任 EAPETEA-8和第一届全国等离子体生物医学会议分会主席；担任 Water Res、Chem. Eng. J、Plasma Sources Sci. Technol等期刊审稿人，担任国家自然科学基金评审人。
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