第一作者：胡波林
通讯作者：张建军
DOI：10.1016/j.cej.2026.176644
通过实验与理论计算相结合，构建自供能太阳能—风能混合制氢系统，集成S型CdS/Cu₇S₄异质结、旋转圆盘软接触摩擦纳米发电机及自适应电源管理模块。研究揭示脉冲偏压进一步强化内建电场、加速界面电荷分离与氧化还原动力学的协同机制，最终实现935.1 μL min⁻¹ m⁻²的产氢速率，较传统光催化提升34.5倍。
2026年4月，Chemical Engineering Journal在线发表贵州大学张建军教授团队在自供电光电催化制氢领域的最新研究成果。该工作将S型CdS/Cu₇S₄异质结与旋转圆盘软接触摩擦纳米发电机及自适应电源管理模块协同集成。摩擦纳米发电机提供的脉冲偏压可进一步强化异质结界面内建电场，加速光生电荷分离与界面氧化还原动力学。
氢能因能量密度高、零碳排放且可再生，被视为理想清洁能源。CdS具有2.4 eV窄带隙和良好的可见光响应，但纯CdS存在光腐蚀及光生载流子快速复合问题。将CdS与Cu₇S₄复合形成S型异质结，可在界面建立内建电场并促进电荷分离，但载流子分离效率仍有提升空间。
传统外部偏压电源能耗高、灵活性有限。本文利用摩擦纳米发电机收集风能，为S型CdS/Cu₇S₄异质结提供自供电外部偏压，构建太阳能—风能混合制氢系统，为可再生能源协同利用提供新路径。
本文使用设备为伟德源自英国1946μGAS1001微量气体反应评价系统的前代机型。该系统适用于光催化全解水、光催化CO₂还原等有微量气体产生的催化反应，集成控制、气体循环、自动取进样和反应器模块。
XRD、XPS、HRTEM、SEM及元素映射证实S型CdS/Cu₇S₄异质结成功合成。HRTEM显示清晰的CdS（100）和Cu₇S₄（0 16 0）晶格条纹，元素映射表明二者均匀复合、界面紧密。
旋转圆盘软接触摩擦纳米发电机基于摩擦起电和静电感应产生交流电。通过优化扭矩、转速及并联单元数，可获得最大短路电流76.2 μA、转移电荷446.6 nC；经电源管理模块调节后，充电效率提升2.7倍。
CdS/Cu₇S₄的光电流密度和电导率显著高于纯CdS，电荷转移电阻更低。DFT证实电子通过Cu—S路径从Cu₇S₄向CdS转移，形成界面内建电场；态密度与功函数分析表明复合材料导电性增强。
基于功函数差异，电子从Cu₇S₄向CdS迁移并构建界面内建电场。原位XPS显示光照下CdS电子密度降低、Cu₇S₄升高，支持S型电荷转移路径。复合材料表面电压与电荷密度分别提高1.3倍和1.8倍，内建电场强度提升1.5倍。
系统集成RS-TENG、电源管理模块和光电化学池，在15 m/s风速下为CdS/Cu₇S₄催化剂提供1 V稳定偏压。GC测得产氢速率达935.1 μL min⁻¹ m⁻²，较纯光催化提升34.5倍，能量转换效率为2.77%。
本研究构建基于RS-TENG的自供能双源析氢系统，以S型CdS/Cu₇S₄异质结为光阴极，实现太阳能与风能协同利用。界面内建电场与外部脉冲偏压协同抑制载流子复合并加速电子迁移。该策略还可拓展至光催化CO₂还原、氮还原合成氨、有机物降解及海水资源化利用等方向。
张建军，贵州大学化学与化工学院副教授、硕士生导师，主要研究方向为摩擦纳米发电机、光电催化析氢和光电催化CO₂还原。
Hu B, Wu M, Lv X, Wang J, Zhang J, Tian M, Chen B. Interfacial electric fields from triboelectric–photocatalytic coupling drive efficient hydrogen evolution. Chemical Engineering Journal, 2026, 538: 176644.
