光催化和光电化学（PEC）水分解被认为对于将太阳能转化为化学燃料的人工光合作用系统的发展至关重要。因为太阳光谱的很大一部分由可见光和红外（IR）光组成，因此长波长辐射的有效利用对于实现未来工业大规模发展所必需的高太阳能到氢（STH）能量转换效率是必不可少的。在许多潜在的可见或近红外响应光催化剂中，已对Cu-硫族化物材料如Cu(In,Ga)(S,Se)₂ (CIGS)和Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)等Cu-硫族化合物材料得到了广泛的研究。最近，Cu₂SnxGe_1–xS₃（CTGS）多晶薄膜作为一种吸光材料在高效固态太阳能电池中的应用引起了人们的广泛关注。然而，迄今为止，尚无关于CTGS基材料表面水的光催化和/或光电催化的报道。

有鉴于此，日本信州大学Hiromasa Nishikiori,Yosuke Kageshima等人，通过固相反应合成了Cu₂Sn_xGe_1-xS₃ (CTGS)，并首次将其作为光催化剂和光阴极材料从水中析氢。

本文要点

1）实验和理论研究了Sn/Ge比对晶体和电子结构的影响。研究发现，Ge的加入使导带最小值发生了负偏移，使带隙能量可以在0.77 ~ 1.49 eV范围内调节，并增加了光激发电子参与析氢的驱动力。

2）在模拟阳光下，研究了Sn/Ge比对Cu₂Sn_xGe_1-xS₃和Cu_ySn_0.38Ge_0.62S₃ (1.86 < y < 2.1)光电阴极光电电化学性能的影响。其中Cu_1.9Sn_0.38Ge_0.62S₃颗粒光电阴极的性能最高。该阴极在0.18 V时，与可逆氢电极(RHE)相比，半电池的太阳-氢能量转换效率为0.56%;在0 V_RHE时，响应550 nm单色光的入射光子-电流转换效率为18%。

3）更重要的是，这些CTGS颗粒在析氢过程中也表现出了显著的光催化活性，并且对代表红外光的高达1500 nm的辐射有响应。目前CTGS粒子的化学稳定性，无毒且在析氢过程中具有很高的活性，这表明它们可能是Cu(In,Ga)(S,Se)₂和Cu₂ZnSnS₄等可见光/红外光响应型铜硫系光催化剂和光电阴极材料的潜在替代品。

参考文献：

Yosuke Kageshima et al. Photocatalytic and Photoelectrochemical Hydrogen Evolution from Water over Cu₂Sn_xGe_1–xS₃ Particles. J. Am. Chem. Soc., 2021.

DOI: 10.1021/jacs.0c12140

https://doi.org/10.1021/jacs.0c12140