一种可用于光催化分解纯水的催化剂的制备方法
阅读说明：本技术 一种可用于光催化分解纯水的催化剂的制备方法 (Preparation method of catalyst for photocatalytic decomposition of pure water ) 是由 刘洋 游遨 肖吉 宋金刚 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本申请利用溶剂热方法在混合溶剂中,成功制备了Zn-(0.3)Cd-(0.7)S/ZnS(DETA)-(0.5)异质结材料,并利用光化学合成法对材料进行磷氧化物负载以及金属掺杂等修饰。利用XRD、UV-vis DRS、SEM、EDS等多种手段,对所制样品的晶体结构、禁带宽度、形貌及组成等参数进行了详细表征。将制备的样品进行光催化分解纯水测试,发现：(Zn-(a)Cd-(b)Fe-(c))S/(Zn-(d)Fe-(e))S/PO-(x)/Ni-(f)Pi样品展示了最高的光催化分解纯水产氢速率,在可见光(420nm＜λ＜780nm)照射条件下,产氢速率达到了1.465mmol·h～(-1)·g～(-1)。(The application successfully prepares Zn in a mixed solvent by using a solvothermal method 0.3 Cd 0.7 S/ZnS(DETA) 0.5 And (3) carrying out modification such as phosphorus oxide loading and metal doping on the heterojunction material by utilizing a photochemical synthesis method. The parameters of the crystal structure, forbidden band width, morphology, composition and the like of the prepared sample are characterized in detail by using multiple means such as XRD, UV-vis DRS, SEM, EDS and the like. The prepared sample was subjected to photocatalytic decomposition pure water test, and found that: (Zn) a Cd b Fe c )S/(Zn d Fe e )S/PO x /Ni f The Pi sample shows the highest hydrogen production rate of pure water by photocatalytic decomposition, and the hydrogen production rate reaches 1.465 mmol.h under the irradiation condition of visible light (lambda is more than 420nm and less than 780nm) ‑1 ·g ‑1 。)
技术领域
本发明涉及一种光催化水产氢的方法，特别是涉及一种光催化分解纯水的催化剂及其制备方法。
背景技术
氢能作为一种二次能源，具有燃烧热值高(能量密度为143kJ/g)、储量大(水可作为氢源)、可再生(燃烧产物是水，水可再次还原为氢气)、便于储存运输等优势，可用于缓解现在的能源危机和环境污染问题。与目前化石燃料制氢方法相比，操作简单、成本低廉的光催化分解水制氢技术潜力巨大，但制备高活性、高稳定性光催化剂仍然是一项长期且艰巨的挑战。在诸多的光催化材料之中，ZnxCd1-xS基催化剂因其可控的能带结构、光催化部分分解水(PPWS)产氢效率高等优点，被认为是最具潜力的光催化材料之一。但在光催化纯水分解应用中，由于缺少牺牲试剂捕获光生空穴，稳定性较差、产氢效率低的缺陷，制约了ZnxCd1-xS基催化剂的研究发展。
光催化分解纯水过程可分为：光催化全分解水(2H2O→2H2+O2，POWS)和光催化中间级分解水(2H2O→H2+H2O2，PIWS)。与光催化部分分解水反应(PPWS)不同，由于缺少牺牲试剂的捕获作用，光生空穴反应路径众多。除了生成四电子(O2)转移产物，还可能生成单电子(·OH)、二电子(H2O2)转移副产物，其中H2O2会氧化S2-，造成催化剂中毒(CdS+4H2O2→Cd2++SO4 2-+4H2O)。此外，ZnxCd1-xS基催化剂会发生光腐蚀现象(无氧光腐蚀：CdS+2h+→Cd2++S；有氧光腐蚀：CdS+4h++2H2O+O2→Cd2++SO4 2-+4H+)，这使得水氧化过程作为分解纯水反应的动力学决速步骤，直接影响催化剂的稳定性和分解纯水效率。
考虑到稳定性是催化剂应用的一项重要指标，因此改善ZnxCd1-xS基催化剂的光腐蚀问题势在必行。通过大量文献调研发现：由于磷化物具备类金属和高稳定特性，向ZnxCd1-xS基催化剂中引入磷化物助催化剂后，能有效的缓解其光腐蚀问题。2018年，吕功煊课题组利用易燃易爆的白磷作磷源，利用水热方法在ZnxCd1-xS基催化剂外层，制备了Ni2P壳材料，实现了光催化全分解水(POWS)过程，并借助“人工腮(AG)”高效分离体系中溶解氧，使AG/Ni2P/CdS催化体系展示了较高的分解纯水产氢速率(0.838mmol·h-1·g-1)。2020年，陈玉彬课题组利用高温热解NaH2PO2产生的剧毒PH3作磷源，制备了[email protected]/Cd0.9Zn0.1S型Z-scheme体系，其能以光催化中间级分解水(PIWS)路线分解纯水，在420nm处实现了6.4％的表观量子效率。通过对比，不难发现：尽管上述催化体系负载了磷化物助催化剂，但其光催化分解纯水产氢性能与传统的光催化部分分解水产氢性能仍相差甚远。而且上述高毒、高能耗的修饰过程，也限制了磷化物的应用空间。从绿色、安全、节能的角度来看，利用快速、便捷的光化学合成法制备磷化物优势巨大。
众所周知，磷化物制备过程中会混有大量的磷酸盐化合物，这些磷酸盐的作用往往会被忽视掉。近期，郑远辉课题组组装了NiCoPi修饰的CdS催化体系，其发现：NiCoPi可以捕获CdS催化剂的光生电子和空穴，从而产生NiICoP和NiCoIIIPi，并以此为催化位点进行光催化产氢和氧化牺牲试剂反应。这说明磷酸盐助催化剂可以同时充当产氢和水氧化助催化剂，这种双功能特性使其在光催化纯水领域，具备极高的应用价值。虽然过渡金属磷酸盐催化剂，已经广泛应用于电催化和光电催化分解纯水领域，但利用其作为助催化剂修饰ZnxCd1-xS基催化剂，从而实现光催化分解纯水过程的研究还鲜有报道。
发明内容
鉴于上述情况，本发明者进行深入的研究，发现了一种光催化分解纯水的催化剂及其制备方法。
本发明的目的是在于提供了一种光催化分解纯水的催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5异质结材料分散于H2PO2 -溶液中，在惰性气体的保护下超声处理；
(2)然后将步骤(1)所得的悬浮液转移至光催化反应器中，将容器密封后，用真空泵将整个反应体系抽真空处理，利用可见光源照射反应器，并保持室温、不断搅拌；
(3)待反应结束后，打开反应器，移去上清液，离心回收沉淀物，在烘箱中干燥后回收得到磷酸根修饰的Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5，标记为Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx；
(4)取Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx样品，分散到含有一种或多种过渡金属盐的H2PO2 -水溶液中，在惰性气体的保护下超声处理，然后转移至光催化反应器中，将容器密封后，用真空泵将整个反应体系抽真空处理，利用可见光源照射反应器，并保持室温、不断搅拌，待反应结束后，打开反应器，移去上清液，离心回收沉淀物，烘箱中干燥后回收得到掺杂过渡金属的Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx，即为光催化分解纯水的催化剂；
所述一种或多种过渡金属盐选自镍盐，钴盐，铁盐，镍、铁混合盐，镍、锰混合盐。
优选地，所述惰性其他为氮气、氩气或氦气；
优选地，所述H2PO2 -溶液为NaH2PO2、KH2PO2中的一种；
优选地，所述超声处理时间为20-60min；
优选地，所述真空处理时间为10-30min；
优选地，所述可见光源为太阳光，氙灯，汞灯，白炽灯、发光二极管灯等其中的一种，处理时间为2-5h；
优选地，烘箱烘干温度为50-70℃，烘干时间为10-15h。
本发明还提供了如上述方法制备得到的光催化分解纯水催化剂。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本文利用溶剂热方法在混合溶剂中，成功制备了Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5异质结材料，并利用光化学合成法对材料进行磷氧化物负载以及金属掺杂等修饰。利用XRD、UV-vis DRS、SEM、EDS等多种手段，对所制样品的晶体结构、禁带宽度、形貌及组成等参数进行了详细表征。将制备的样品进行光催化分解纯水测试，发现：(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi样品展示了最高的光催化分解纯水产氢速率，在可见光(420nm＜λ＜780nm)照射条件下，产氢速率达到了1.465mmol·h-1·g-1。这种操作简便、成本低廉的光化学合成修饰策略，为易光腐蚀型材料在光催化分解纯水领域的应用，打开了新的一扇门。
附图说明
图1：Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5样品的SEM图
图2：Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5的X射线衍射(XRD)图谱
图3：Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5紫外-可见漫反射光谱图(A)，能带换算谱图(B)
图4：各个光催化剂的XRD图
图5：各个催化剂的紫外-漫反射光谱图(A)，各个催化剂的能带换算谱图(B)
图6：(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi样品SEM图
图7：金属修饰后的催化剂产氢曲线图
具体实施方式
实施例1.Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料的制备
量取315ml二乙烯三胺(DETA)和35ml纯水混合倒入500ml大烧杯中，称取乙酸锌1100mg(5mmol)，乙酸镉1322.5mg(5mmol)，L-半胱氨酸2450mg(20mmol)倒入装有混合液的烧杯中，通过磁力搅拌器和超声波清洗器使烧杯中的各个药品溶解，待各个药品溶解之后，将溶解好的溶液倒入反应釜内村中，拧好反应釜之后将其放入电热恒温鼓风干燥箱中180℃反应24小时，反应停止后，通过离心机将制成的Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5回收放入烘箱脱水，得到黄色粉末Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料。
实施例2.Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料表层的磷氧化物覆盖
称取180mg的Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5和2385mg的次亚磷酸钠并倒入50ml离心管中，添加30ml的去离子水，在通入氩气的保护下，在超声波仪器中进行30分钟的超声，之后将超声好的溶液倒入光合成反应器中并加入50ml去离子水，开启搅拌器，利用真空泵将反应器抽成一个真空状态，之后开启氙灯进行光照3个小时，在光照过程中，利用NaH2PO2捕获光生空穴，辅助催化剂进行光催化产氢反应，与此同时利用NaH2PO2可以捕获光生电子，氧化、还原反应产生的磷氧化物包覆在Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料表面。完成Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx材料的制备。
实施例3.光化学合成实验
1.镍、铁基助催化剂的光化学合成实验：称取82mg制备好的Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx材料、38mg六水硫酸镍、18.5mg九水硝酸铁和141mg的次亚磷酸钠并一同倒入50ml离心管中，往离心管中加入30ml去离子水后，在氩气的保护下进行半个小时的超声，超声完毕后，将超声好的溶液和50ml去离子水倒入光合成反应器中，用离心泵将反应器抽成真空后开启磁力搅拌器和氙灯光源，光照两小时，两小时后将氙灯和搅拌器关闭，并使反应器内的溶液静置半小时以上，待材料沉积完全之后离心回收，材料标记为：(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi。
2.镍、锰基助催化剂的光化学合成实验：称取82mg制备好的Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx材料、35.7mg六水硫酸镍、9.2mg一水硫酸锰和141mg次亚磷酸钠，并重复1中的操作，最终得到的材料标记为：(ZnaCdbMnc)S/(ZndMne)S/POx/NifPi。
3.镍、锰、铁、钴基单金属助催化剂的光化学合成实验：单金属基助催化剂光合成过程中，每次光合成反应都需添加82mg制备好的Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx材料，141mg的次亚磷酸钠，分别称取不同金属盐(50mg的六水硫酸镍或33mg一水硫酸锰或77mg的九水硝酸铁或56mg六水硝酸钴)重复1中的操作，最终得到的材料分别标记为：Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx/NiaPi、(ZnaCdbMnc)S/(ZndMne)S/POx、(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx、Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx/CoaPi。
实施例4.Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5的表征
为探究了Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料的形貌，对其进行SEM扫描电子显微镜分析。通过图1A可知，Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料为微米球状形貌，尺寸介于2～4μm范围内，进一步对单个微米球材料放大观察后(图1B)，发现球状材料表层负载了大量尺寸不一纳米颗粒，尺寸介于50～100nm之间。为了确定催化剂材料的组成，我们对其进行了EDS表征，如图2和表1所示，微米球内部的Zn/Cd原子百分比约为3∶7，说明该微米球材料真实组成应该为Zn0.3Cd0.7S，这与我们Zn/Cd＝1∶1的投料比有明显出入。由于在溶剂热过程中Zn2+和Cd2+与二乙烯三胺和L-半胱氨酸络合能力的存在差异，加上ZnS与CdS之间较大的溶度积差异，势必造成一部分Zn2+无法融入到ZnxCd1-xS固溶体材料中。在EDS分析中，可以发现大量的C、N元素存在，这显然来自于材料表面络合的二乙烯三胺分子，这说明我们投料中损失的Zn2+，用于生成了ZnS(DETA)0.5材料，并展示了条带状形貌。我们观察到微米球表层包裹了一些条带状材料，说明成功制备了Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5异质结材料。
表1 Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5电子色散能谱表
图2显示了Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料的XRD图谱，通过对比发现：Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料的XRD衍射峰位于立方相ZnS(PDF#05-0566)和六方相CdS(PDF#41-1049)卡片峰之间，说明课题组制备的Zn0.3Cd0.7S材料为固溶体材料，而不是ZnS和CdS的混合物，而且Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料展示了典型的六方晶相衍射峰。
由紫外漫反射图谱图3A可以观察到，原材料的吸收边带大约在500nm左右。图3B为材料的能带换算图谱，经换算可知，原材料的带隙宽度为2.52eV，这些参数说明Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料是是一种优异的可见光响应光催化剂。
实施例5.修饰后催化剂材料的表征
如图4所示，与Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5相比，Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx、(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi、(ZnaCdbMnc)S/(ZndMne)S/POx/NifPi、Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx/NiaPi、(ZnaCdbMnc)S/(ZndMne)S/POx、(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx和Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx/CoaPi等样品的出峰位置没有发生明显变化，也没有新衍射峰生成。说明经过两步光化学合成后，表层沉积的磷氧化物保护层、磷酸盐助催化剂均为无定型结构，这种无定型金属磷酸盐(NiaPi或CoaPi)材料，内部的过渡金属能够通过变价，实现材料的“自愈”特性，也有希望帮助材料在磷酸盐和磷化物之间转化，使这类材料在光催化分解纯水过程中拥有较大的应用潜力。
如图5A所示，我们测试了Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5、Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx、(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi和(ZnaCdbMnc)S/(ZndMne)S/POx/NifPi的紫外-漫反射光谱。与Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5相比，Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx和(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi样品的吸收强度没有发生明显变化，而且吸收带边也没有发生明显移动，吸收边带在500～510nm范围内。与上述三个样品有所不同，(ZnaCdbMnc)S/(ZndMne)S/POx/NifPi在300～800nm光谱范围内均展示了较高的光响应能力，而且吸收边移动到了550nm左右。
我们进一步通过Kubelka-Munk公式，换算了四种样品的能带隙。如图5B和表2所示，Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5、Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx、(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi三个样品的能带隙值相差不大，分别为2.52、2.54和2.53eV，说明三种样品均具备优异的可见光响应能力。(ZnaCdbMnc)S/(ZndMne)S/POx/NifPi样品展示了最小的能带隙值(2.43eV)。这些结果说明：经过一步光化学合成过程后，沉积的磷氧化物保护层可能修饰了原材料内部ZnS(DETA)0.5组分的硫空位缺陷态，致使材料的带隙略微变宽，但整体变换不大；在第二步光化学合成过程中，由于阳离子交换作用，Fe、Mn等离子可能存在对Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx材料的掺杂作用，使形成的(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi和(ZnaCdbMnc)S/(ZndMne)S/POx/NifPi样品的带隙，产生不同程度的降低。更窄的能带隙意味着更高的光响应能力和更高的光子捕获效率，从而产生更高密度的光生载流子，有利于提升催化体系的光解水产氢效率。
表2带隙宽度(Eg)表
我们对(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi样品进行了SEM(图6)表征。如图所示，经过两步光化学合成修饰后，(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi样品仍然展示了微米球状形貌，粒径在1.4～5μm之间，且微米球表层环绕着条带状材料，这些材料应该是ZnS(DETA)0.5组分在两步光化学合成过程中转化生成的(ZndFee)S材料。进一步放大后，发现：微米球状材料其实是由无数纳米棒组装的球棍状形貌，原来观测到的在Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料表层的纳米颗粒可能是由于这些纳米棒堆积密集，我们只看到了纳米棒的顶端，所以类似于纳米颗粒。为了验证这些材料的组成，我们对其进行了EDS分析，研究发现：材料表层有Ni、P、O等元素分布，但无Fe元素分布，说明Fe元素掺杂到了硫化物原材料内部，而表层负载的过渡金属磷酸盐应改为NidPi。
表3(ZnaCdbFec)/S/POx/(FedNie)Pi电子色散能谱表
实施例6.修饰后催化剂材料的光催化中间级分解纯水性能测试
我们对所制备样品进行了光催化分解纯水产氢测试，具体步骤入账：
称取30mg待测试样品，分散于80ml超纯水中，在氩气的保护下超声处理30min。然后将悬浮液转移至光催化反应器中，将容器密封后，用真空泵将整个反应体系抽真空处理15min。利用可见光源(配有420nm前截止滤光片的300W氙灯)照射反应器，并保持室温、不断搅拌，体系产生的气体通过色谱(天美GC7900，TCD，Ar作载气，分子筛柱)，进行定量分析。
结果如图7所示。在可见光(420nm＜λ＜780nm)照射条件下，由于存在严重的光腐蚀现象，Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料在纯水中没有展示出产氢性能，因此我们没有在图、表中展示该样品的性能参数。与之相比，Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx和(ZnaCdbMnc)S/(ZndMne)S/POx样品展示出了光催化分解纯水产氢的能力，在气相色谱中发现了氢气峰，但产氢面积太小，系统无法计算出峰面积，因此我们也没在图7中展示该样品的图谱。产氢性能从无到有，我们推测原因是，经过第一步光化学合成后，Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料表层覆盖了一层磷氧化物，这层无定型的物质可以充当保护层，有效延缓了Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5材料因为与水中溶解氧接触而发生的光腐蚀作用，而且单独掺杂Mn元素并不能有效提升材料的产氢性能。剩余样品的光催化产氢性能按照：(ZnaCdbFee)S/(ZndFee)S/POx、Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx/CoaPi、Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx/NiaPi、(ZnaCdbMnc)S/(ZndMne)S/POx/NifPi、(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi的顺序依次增强，其产氢速率如表4所示。
根据最近研究发现，NiCoPi材料在光催化产氢过程中可以同步捕获光生电子和空穴，从而转换成NiICoP和NiCoIIIPi。然后NiICoP和NiCoIIIPi进一步用来收集光生电子和空穴，用于光催化反应。从我们实验结果来看，Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx/NiaPi样品展示了优于Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx/CoaPi样品的产氢活性，本质上其实是NiaPi转化生成的NiaP是一种优于CoaP的产氢助催化剂。众所周知，磷化镍类催化剂因为其类金属特性，已被广泛用作产氢助催化剂，应用于牺牲剂体系的光催化产氢半反应中，但在光催化分解纯水产氢应用中还比较少见。令我们感到惊奇的是，(ZnaCdbMnc)S/(ZndMne)S/POx/NifPi和(ZnaCdbFee)S/(ZndFee)S/POx/NifPi的双金属修饰型催化体系均展示了优于Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx/NiaPi的产氢活性。由于在第二步光合成中，同步存在金属离子交换作用，加入的Fe3+或Mn2+会掺杂到Zn0.3Cd0.7S/ZnS(DETA)0.5/POx材料内部，形成硫化铁或者硫化锰负载于催化剂表层，这些硫化物助催化剂在光催化分解纯水过程中，极易被部分氧化FexO或MnxO。
表4金属修饰后催化剂的产氢速率表
由于(ZndFee)S组分具有更宽的带隙值，致使(ZnaCdbFec)S和(ZndFee)S两组分易形成type I型异质结构型，但是ZnS(DETA)0.5类材料往往存在大量缺陷结构，其通过阳离子交换作用形成的(ZndFee)S材料，也会存在缺陷能级，致使在(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi催化体系内部的(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S组分间构成一种准type II型异质结构型，有利于光生载流子在异质结结构中的分离传输。因此，在光催化分解纯水应用中，当可见光照射到(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S/POx/NifPi催化体系上后，催化剂内部的(ZnaCdbFec)S和(ZndFee)S组分会被同时激发，在(ZnaCdbFec)S/(ZndFee)S异质结结构中，材料内部的光生电子和空穴最终汇聚到(ZnaCdbFec)S导带和(ZndFee)S的缺陷能级中，催化体系表层络合的二乙烯三胺分子会进一步将光生空穴迁移至表层，最终光生空穴会被FexO或MnxO、NiaPi等助催化剂所捕获，进一步提升体系的光生空穴捕获率，此外，这些助催化剂会跟磷氧化物保护层一起提升体系的抗光腐蚀能力，又间接提升了体系的光催化产氢活性；与此同时NiaPi部分转化生成的NiaP会捕获光生电子，并以此为位点进行质子还原反应，生成H2。利用不同类型的助催化剂，协同优化催化体系的表面动力学反应速率，从而实现高效、稳定的光催化纯水分解过程。
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