在含有复杂离子的海水中，半导体光催化剂的光催化效率和稳定性正被由未消耗光生空穴触发的光腐蚀严重恶化。

2025年7月18日，曲阜师范大学张永政、西北师范大学王其召在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Light-induced CoO_X surface reconstruction in hollow heterostructure for durable photocatalytic seawater splitting》的研究论文，Chunyu Yuan、Hongfei Yin、Jing Li为论文共同第一作者，张永政、王其召为论文共同通讯作者。

在本文中，作者报道了一种新型Pt₁-ZnIn₂S₄@CoO_X分层中空异质结：ZnIn₂S₄@壳层内部集成CoO_X纳米笼，表面硫空位处锚定原子级分散的Pt单原子。该催化剂在可见光下可从天然海水（23.88 mmol g^-1 h^-1）和纯水（48.99 mmol g^-1 h^-1）高效产氢。

内部CoO_X笼发生Co²⁺/Co³⁺动态氧化自重构，迅速捕获并消耗光生空穴；外部Pt₁单原子充当电子汇，加速电子提取与质子还原。这一协同机制显著提高了载流子分离效率。

得益于动态空穴捕获，该催化剂在海水环境中对Na⁺/K⁺等碱金属离子表现出优异抗毒化能力，长期运行仍保持高活性，为实现可持续海水产氢提供了新思路。

图1：Pt₁-ZnIn₂S₄@CoO_X形貌与结构。SEM/TEM显示中空分级结构，HRTEM给出ZnIn₂S₄(102)与CoO_X(311)晶格；HAADF-STEM确认Pt单原子亮点；XANES/EXAFS证明Pt以单原子形式锚定在硫空位；EPR证实硫空位存在；元素分布图显示Co、O在内，Zn、In、S、Pt在外。

图2：电荷转移与Co自重构。原位光照XPS显示Zn、In、S峰蓝移失电子，Co峰蓝移更明显并Co²⁺→Co³⁺，Pt峰红移得电子，证实CoO_X捕空穴、Pt_₁捕电子的双向迁移。

图3：电荷分离与空间分离氧化还原中心。能级图示意CoO_X重构与载流子路径；EPR表明Pt₁-ZIS@CoO_X产生最多·O₂^-及消耗最多h⁺；SPV/TPV、KPFM直观展示光生电子富集于外层Pt₁、空穴富集于内层CoO_X，实现空间分离。

图4：海水与纯水光催化性能。含牺牲剂时，Pt₁-ZIS@CoO_X在海水产氢23.88 mmol g^-1 h^-1、纯水48.99 mmol g^-1 h^-1；无牺牲剂时H₂/O₂为915/387 μmol g^-1 h^-1；循环20 h活性衰减仅4.3%，96 h补充牺牲剂后仍稳定。

图5：光诱导Co²⁺/Co³⁺动态重构。原位XPS显示Co³⁺比例随光照时间增加；Raman峰由Co²⁺-O向Co³⁺-O演变；XANES/EXAFS证实Co平均氧化态升高，形成类Co₃O₄局域结构，揭示空穴驱动自重构机制。

图6：飞秒瞬态吸收揭示超快动力学。fs-TA三维图显示Pt₁-ZIS@CoO_X最强ESA与GSB；422 nm kinetics证明Pt₁显著缩短电子寿命；578 nm kinetics表明CoO_X捕获空穴引入新τ₃；模型示意电子→Pt₁、空穴→CoO_X的定向转移。

综上，作者通过Co²⁺/Co³⁺的动态自重构有效消耗光生空穴，同时Pt单原子作为电子汇促进电子提取和质子还原。这种结构显著提高了光催化剂在复杂海水中对碱金属离子的耐久性，并保持了长期高效的产氢能力。

本工作强调了在分层中空异质结构光催化剂中，通过光诱导过渡金属动态自重构来实现可持续产氢的重要性，为解决光腐蚀问题提供了新的思路。

这种高效、稳定的光催化剂在海水直接分解制氢领域具有广阔的应用前景，尤其是在资源丰富的海洋环境中，有望为可持续能源生产提供一种经济、环保的解决方案。

Light-induced CoO_X surface reconstruction in hollow heterostructure for durable photocatalytic seawater splitting. Nat. Commun., 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62033-0.