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Co9S8@ZnIn2S4分级异质结笼用于高效光催化剂产氢
更新日期:2018-11-27  

光催化分解水是以可持续方式生产清洁氢(H2)燃料的理想方法。截至目前,大量半导体材料已被成功应用于光催化产氢。然而,其中大多数光催化剂的活性仍然相对较低。首要原因在于光生载流子的分离与传输效率较低。

金属硫化物(比如Co9S8ZnIn2S4等)由于其独特的电子结构和光学特性,在光解水领域正日益兴起。尤其是,由于异质界面之间的电位梯度的存在,由能带结构相匹配的金属硫化物半导体构建的异质结光催化剂可以有效地加速光生电荷的分离和传输。此外,复合光催化剂往往具有更好的光稳定性和光吸收性能。这些优势促使异质结构光催化具有更高效的性能。除了化学组成的调控,高效光催化反应的实现也在很大程度上取决于催化剂结构的合理设计。

近年来,中空结构材料被广泛用于太阳能光催化领域。中空结构不仅能缩短催化剂体相到表面的距离从而加速光生电荷的分离,还可以提供大的表面积和丰富的活性位点以促进氧化还原反应。而且,中空粒子,尤其是多面体笼,可以通过内部空腔的多次光散射/反射来增强光吸收。此外,组装于多面体笼表面的二维(2D)半导体纳米片亦有利于缩短电荷扩散距离并暴露更多的催化活性位点。因此,综合上述考虑,二者结合极有可能实现对新的高效光解水产氢催化剂的成功构筑。

近日,新加坡南洋理工大学楼雄文教授带领的研究团队在《美国化学会志》期刊上发文(Formation of Hierarchical Co9S8@ZnIn2S4 Heterostructured Cages as an Efficient Photocatalyst for Hydrogen Evolution, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 45, 15145–15148, DOI: 10.1021/jacs.8b07721。文中,作者展示出Co9S8@ZnIn2S4分级异质结构笼的设计合成及其光催化产氢性能。两种光敏硫化物半导体被合理地集成到具有强耦合异质外壳和二维超薄亚单元的分级中空结构中。该特殊结构可有效促进光生电荷的分离和传输,大的表面积为光催化反应提供丰富的活性位点。由于独特的结构和组成特点,Co9S8@ZnIn2S4分级中空异质结构在不使用任何助催化剂时表现出卓越的光解水活性(产氢速率为6250 μmol h–1 g–1)和良好的稳定性。

 

1. Co9S8@ZnIn2S4分级异质结构笼的合成工艺示意图:(I)液相硫化反应和氩气气氛中热处理以及(II)生长ZnIn2S4纳米片。

1展示出了复杂中空结构的合成路线。从沸石咪唑基骨架(ZIF-67)多面体作为前驱体开始,通过硫化反应和随后的热处理制备Co9S8十二面体笼(步骤I)。之后,通过溶剂热法在Co9S8笼的表面生长一层ZnIn2S4纳米片,从而得到Co9S8@ZnIn2S4分级笼状异质结构(步骤II)。

 

2. 形貌表征:CoSx笼的FESEM(a)TEM(b)Co9S8笼的FESEM(c)TEM(de)HRTEM(f)


3. 性能表征:(a)不同样品产氢性能,(b)时间-产量曲线,(c)稳定性测试,(d)不同波长的产氢性能。

Co9S8@ZnIn2S4-实心催化剂的产氢速率为4650 μmol·h-1g-1,低于Co9S8@ZnIn2S4笼状催化剂的产氢速率(6250 μmol h–1 g–1)。这一结果展示了中空结构对于光催化反应的优势。此外,Co9S8@ZnIn2S4中空催化剂在6 h内持续产氢,而单纯ZnIn2S4在反应3 h后活性明显降低。这些结果凸显了Co9S8@ZnIn2S4高效的光解水性能。这应该得益于其独特的分级中空异质结构,这种结构可以有效促进光生载流子分离和传输。

(来源:材料牛网