氢气是缓解环境污染和能源短缺的零污染绿色能源,利用太阳能诱导半导体裂解水制氢是最环保的方法之一。本文以MOFs衍生的Ni-CNT(Ni修饰的碳纳米管)作为非贵金属助催化剂,通过简单的油浴法原位生长ZnIn_(2)S_(4)纳米片合成了Ni-CNT/ZnIn_(2)S_(4)。在Ni-CNT/ZnIn_(2)S_(4)中,Ni纳米颗粒包裹在CNT的顶部和横截面上,有效地阻止了Ni纳米颗粒的团聚。Ni-CNT/ZnIn_(2)S_(4)异质结构具有紧密的接触界面,有利于电荷转移,可作为高效的析氢光催化剂。38Ni-CNT/ZnIn_(2)S_(4)样品具有最佳的产氢性能(12267μmol·h^(−1)·g^(−1)),约为纯ZnIn_(2)S_(4)的6.4倍,且在420 nm单色光下其表观量子效率达到11.3%。X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)结果证实了Ni-CNT/ZnIn_(2)S_(4)异质结构的存在。电化学测试表明,Ni-CNT与ZnIn_(2)S_(4)的结合促进了光生电荷的转移,有效地阻止了光生载流子的快速复合,从而增强了ZnIn_(2)S_(4)的析氢性能。电子自旋共振(ESR)结果进一步证明了Ni-CNT助催化剂的存在延长了ZnIn_(2)S_(4)光生电荷的寿命,促进了光生电荷和空穴的分离效率。通过密度泛函理论计算探索并确定了异质结界面中的电荷转移途径。Ni、CNT和ZnIn_(2)S_(4)费米能级的差异导致界面处电荷发生迁移从而形成内嵌电场,ZnIn_(2)S_(4)的能带向下弯曲,促进光生电子从ZnIn_(2)S_(4)流向NiCNT电子受体。平面平均电子密度差结果证实了热电子从Ni转移至CNT再转移至ZnIn_(2)S_(4),表明光生电子转移途径为ZnIn_(2)S_(4)→CNT→Ni。此外,吸附H*吉布斯自由能(ΔGH*)和晶体轨道哈密顿布居(COHP)结果表明Ni纳米颗粒可作为析氢反应的活性位点,促进了产氢效率。本工作将为开发低成本、高效的非贵金属光催化制氢催化剂提供新的策略。
赖可溱;李丰彦;李宁;高旸钦;戈磊;
中国石油大学(北京)新能源与材料学院重质油国家重点实验室,北京102249 中国石油大学(北京)新能源与材料学院材料科学与工程系,北京102249
化学
Ni-CNT;光催化;析氢;ZnIn_(2)S_(4);助催化剂
《物理化学学报》 2024 (001)
P.42-43 / 2
国家重点研发计划(2021YFA1501300,2019YFC1907602);国家自然科学基金(51572295,21273285,21003157)资助项目。
10.3866/PKU.WHXB202304018
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