Decoupling of Carrier Pathways in Au/Cu‐Zn3In2S6 Through Bulk Hole Trapping and Surface Hot Electron Accumulation Enhances Photocatalytic Hydrogen Peroxide Production

催化作用 材料科学 光催化 光化学 氧气 载流子 氧化还原 析氧 兴奋剂 过氧化氢 化学工程 化学物理 电化学 物理化学 光电子学 化学 生物化学 有机化学 工程类 电极 冶金
作者
Xiaowen Ruan,Chunsheng Ding,Jing Leng,Dongxu Jiao,Xiangxiang Zhang,Minghua Xu,Depeng Meng,Xiaoqiang Cui,Zhaoke Zheng,Yongfa Zhu,Sai Kishore Ravi
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202511422
摘要

Abstract Artificial photosynthesis offers a sustainable route to H 2 O 2 production but is hindered by charge recombination and non‐selective reactive species generation, resulting in parasitic reactions that reduce selectivity and yield. Here, Au‐Cu co‐modified Zn 3 In 2 S 6 (Au/Cu‐d/ZIS) is presented, a catalyst that spatially decouples charge carriers across bulk and surface sites, suppressing recombination and stabilizing intermediates for photocatalytic oxygen reduction. Cu doping introduces trap states that localize holes in the bulk and improve the separation and transportation of bulk photogenerated carriers. Plasmonic Au nanoparticles drive surface hot electron accumulation and further contribute to the oxygen reduction reaction. The optimized catalyst achieves an H 2 O 2 evolution rate of 94.2 µmol g −1 min −1 using pure water without any sacrificial agents, outperforming pristine Zn 3 In 2 S 6 by nearly threefold. DRIFTS identifies stabilized oxygenated species on the catalyst surface, and DFT calculations demonstrate that Cu trap states lower energy barriers for •O 2 − formation, while Au NPs enhance the charge transfer and ORR reaction between ZIS and O 2 . The catalyst maintains stability and reusability, producing 2300 µmol g −1 of H 2 O 2 under natural sunlight over 4 h with consistent performance across multiple cycles. Furthermore, it is successfully applied for bacterial sterilization and pharmaceutical pollutant degradation, demonstrating its potential for environmental remediation.
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