太阳能驱动的水分解制氢技术利用光催化材料将水分解为氢气，兼具环境友好和能源可持续性的双重优势，对低碳经济的发展具有重要意义。为了进一步提升制氢效率，光催化材料的改性策略主要集中在异质结构筑、助催化剂负载和贵金属辅助等方面。然而，关于半导体自身性质，如电子能带结构差异及声子作用下电子的跃迁行为的研究相对较少。因此，探索半导体间接/直接能带结构调控规律，并研究声子作用对光生载流子空间行为的增益机制，对于实现高效光催化制氢具有重要理论意义。
图1. 直接/间接半导体电子能带结构图
近期，材料学部半导体材料与器件创新团队以二维层状二硫化钼（MoS2）为研究对象，通过控制MoS2的剥离层数（从114层减至单层），实现其从间接带隙到直接带隙的精准转变，并成功构建了具有声子增强效应的CdS/MoS2异质结光催化体系。通过调控MoS2层数，研究人员改变了其电子能带结构，并引入声子诱导增强效应，从而有效提高了CdS/MoS2异质界面处光生电子与空穴的分离效率。通过PL、TRPL、TPV和SPV等光动力学测试，研究揭示了声子效应能够显著延长光生电子的存活寿命。进一步的理论分析表明，间接半导体MoS2具有更宽的声子谱和频率分布，表现出更强的电子-声子耦合作用，从而有效抑制了光生载流子复合。这种特殊的直接/间接异质结复合体系表现出优异的光制氢活性（9.70 mmol h-1 g-1），在420 nm下具有高达31.33%的量子效率。本工作通过调控间接半导体引入声子效应，为光生载流子传输动力学的优化提供了新的视角，同时拓展了新型半导体异质结光催化体系的研究领域。
图2. DFT理论探究MoS2声子谱及异质界面载流子传输机理
研究成果以“Optimization of CdS/MoS2 Photocatalysts for Phonon-Enhanced H2 Evolution via Indirect Transition Modulation in Layer-Dependent MoS2”为题，发表在国际知名期刊《Small》上。本研究得到了山东省自然科学基金、齐鲁工业大学（山东省科学院）人才科研项目、科教产融合重大创新项目以及山东省泰山学者计划等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202411128