物理化学学报 >> 2025, Vol. 41 >> Issue (12): 100152.doi: 10.1016/j.actphy.2025.100152
赵鑫婉1,†, 曹越2,†, 雷敏军1,†, 靳治良1,*(
), TsubakiNoritatsu3
收稿日期:2025-06-26
修回日期:2025-08-01
录用日期:2025-08-06
发布日期:2025-10-23
通讯作者:
Email: zl-jin@nun.edu.cn (靳治良)
作者简介:†These authors contributed equally to this work.
基金资助:
Xinwan Zhao1, Yue Cao2, Minjun Lei1, Zhiliang Jin1,*(
), Tsubaki Noritatsu3
Received:2025-06-26
Revised:2025-08-01
Accepted:2025-08-06
Published:2025-10-23
Contact:
Email: zl-jin@nun.edu.cn (Zhiliang Jin)
Supported by:摘要:
二维共价有机框架(COFs)被认为是最具太阳能驱动制氢潜力的晶态多孔材料之一,但通常需要引入贵金属助催化剂来提升其析氢能力。本研究通过简单溶剂热合成法,在典型二维共价有机框架TtTfp-COF表面生长金属硫化物,成功构建了独特的S型异质结结构TtTfp-COF/NiS复合材料。该结构中,棒状NiS的线性结构更稳定且便于后续表面修饰,同时提供关键活性位点并促进电子高效转移,显著提升析氢效率。共价有机框架通过控制前驱体与配体的空间排布,增强了载流子传输效率。实验结果表明,NT-20样品析氢速率可达5978 μmol·g−1·h−1,较原始TtTfp-COF (520 μmol·g−1·h−1)提升约11.5倍。此外,该材料在420 nm光照下表现出1.96%的显著量子效率。实验结果与理论分析共同证实了光催化析氢速率的提升,并深入阐明了S型异质结内的电荷转移机制。本文为非贵金属COF基光催化剂的设计开发提供了新思路,通过无机与有机材料在光催化中的协同组合,为S型异质结的构建提供了新见解。
赵鑫婉, 曹越, 雷敏军, 靳治良, TsubakiNoritatsu. 构建S型异质结:通过将共价有机框架与过渡金属硫化物结合实现高效无贵金属光催化制氢[J]. 物理化学学报, 2025, 41(12), 100152. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100152
Xinwan Zhao, Yue Cao, Minjun Lei, Zhiliang Jin, Tsubaki Noritatsu. Constructing S-scheme heterojunctions by integrating covalent organic frameworks with transition metal sulfides for efficient noble-metal-free photocatalytic hydrogen evolution[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2025, 41(12), 100152. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100152
表2
"
| Photocatalyst | Light Source | Sacrificial agent | Production rate | Refs. |
| NiS/TtTfp-COF | 300 W Xe lamp | TEOA | 5978 μmol∙g−1∙h−1 | This |
| N2-COF/Chloro(pyridine)-cobaloxime(Co-Ⅰ) | 300 W Xe lamp | TEOA | 782 μmol∙g−1∙h−1 | [ |
| TpDTz-COF/NiME | 300 W Xe lamp | TEOA | 941 μmol∙g−1∙h−1 | [ |
| 15-[Ni(pymt)]/CTF-HC2/[Ni(pymt)] | 300 W Xe lamp | TEOA | 3472 μmol∙g−1∙h−1 | [ |
| TPCBP B-COF | 300 W Xe lamp | TEOA | 1029 μmol∙g−1∙h−1 | [ |
| TMP-COF/g-C3N4+Pt | 300 W Xe lamp | TEOA | 2057 μmol∙g−1∙h−1 | [ |
| 1 |
F. Y. Xu, K. Meng, B. Cheng, S. Y. Wang, J. S. Xu, J. Yu. Nat. Commun. 2020, 11, 4613.
doi: 10.1038/s41467-020-18350-7 |
| 2 |
X. Y. Deng, J. J. Zhang, K. Z. Qi, G. J. Liang, F. Y. Xu, J. G. Yu. Nat. Commun. 2024, 15, 4807.
doi: 10.1038/s41467-024-49004-7 |
| 3 |
Y. L. Wu, H. Y. Wang, Z. L. Jin. J. Ningxia Univ. (Nat. Sci. Ed. ) 2024, 45, 361.
|
| 4 |
Z. Y. Zhou, Z. L. Jin. Chin. J. Catal. 2024, 74, 294.
doi: 10.1016/S1872-2067(25)64690-0 |
| 5 |
X. Y. Chu, S. K. Liu, B. B. Luan, Y. Zhang, Y. M. Xi, L. H. Shao, F. M. Zhang, Y. Q. Lan. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202422940.
doi: 10.1002/ange.202422940 |
| 6 |
C. Yang, X. Li, M. li, Z. L. Jin. Chin. J. Catal. 2024, 56, 88.
doi: 10.1016/S1872‐2067(23)64563‐2 |
| 7 |
X. W. Zhao, X. Y. Zhang, M. J. Lei, X. L. Ma, Y. J. Li, Z. L. Jin. J. Mater. Sci. Technol. 2026, 245, 238.
doi: 10.1016/j.jmst.2025.05.024 |
| 8 |
Z. Y. Zhou, J. Wang, M. Reheimujiang, Z. L. Jin. J. Mater. Sci. Technol. 2025, 213, 241.
doi: 10.1016/j.jmst.2024.05.080 |
| 9 |
X. Li, J. G. Yu, M. Jaroniec. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 2603.
doi: 10.1039/C5CS00838G |
| 10 |
L. Y. Zhang, J. J. Zhang, J. G. Yu, H. Nat. Rev. Chem. 2025, 9, 328.
doi: 10.1038/s41570-025-00698-3 |
| 11 |
X. Guo, J. Y. Liu, X. Y. Yang, Z. L. Jin, N. Tsubaki. Chem. Res. Chinese U. 2025,
doi: 10.1007/s40242-025-5125-6 |
| 12 |
Z. L. Jin, Z. K. Liu, Y. X. Zhang. J. Xihua Univ. (Nat. Sci. Ed.) 2025, 44, 1.
doi: 10.12198/j.issn.1673-159X.5718 |
| 13 |
J. F. Gao, X. Lin, B. W. Jiang, S. P. Tang, H. Y. Zhang, F. T. Chen, Z. L. Jin, Y. J. Li, N. Tsubaki. Chem. Res. Chinese U 2025, 1.
doi: 10.1007/s40242-025-5111-z |
| 14 |
Z. W. Zhang, Q. Zhang, Y. X. Hou, J. L. Li, S. S. Zhu, H. Xia, H. J. Yue, X. M. Liu. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202411546.
doi: 10.1002/ange.202411546 |
| 15 |
H. C. Xu, Y. D. Wang, Y. Xu, Q. M. Wang, M. Y. Zhuang, Q. B. Liao, K. Xi. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 136, e202408802.
doi: 10.1002/ange.202408802 |
| 16 |
A. Alam, B. Kumbhakar, A. Chakraborty, B. Mishra, S. Ghosh, A. Thomas, P. Pachfule. ACS Mater. Lett. 2024, 6, 2007.
doi: 10.1021/acsmaterialslett.4c00418 |
| 17 |
Z. Z. Liang, R. C. Shen, Y. Ng, Y. Fu, T. Y. Ma, P. Zhang, Y. J. Li, X. Li. Chem. Catal. 2022, 2, 2157.
doi: 10.1021/10.1016/j.checat.2022.06.006 |
| 18 |
H. Yang, M. J. Hao, Y. H. Xie, X. L. Liu, Y. F. Liu, Z. S. Chen, X. K. Wang, G. N. Waterhouse, S. Q. Ma. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202303129.
doi: 10.1002/anie.202303129 |
| 19 |
C. Z. Li, J. L. Liu, H. Li, K. F. Wu, J. H. Wang, Q. H. Yang. Nat. Commun. 2022, 13, 2357.
doi: 10.1038/s41467-022-30035-x |
| 20 |
C. Yang, C. Qian, M. Q. Yu, Y. Z. Liao. Chem. Eng. J. 2023, 454, 140341.
doi: 10.1016/j.cej.2022.140341 |
| 21 |
F. M. Zhang, J. L. Sheng, Z. D. Yang, X. J. Sun, H. L. Tang, M. Lu, H. Dong, F. C. Shen, J. Liu, Y. Q. Lan. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 12106.
doi: 10.1002/anie.201806862 |
| 22 |
X. Y. Wang, L. J. Chen, S. Y. Chong, M. A. Little, Y. Z. Wu, W. H. Zhu, R. Clowes, Y. Yan, M. A. Zwijnenburg, R. S. Sprick, Andrew I. Cooper. Nat. Chem. 2018, 10, 1180.
doi: 10.1038/s41557-018-0141-5 |
| 23 |
J. L. Sheng, H. Dong, X. B. Meng, H. L. Tang, Y. H. Yao, D. Q. Liu, L. L. Bai, F. M. Zhang, J. Z. Wei, X. J. Sun. ChemCatChem 2019, 11, 2313.
doi: 10.1002/cctc.201900058 |
| 24 |
Y. P. Zhang, H. L. Tang, H. Dong, M. Y. Gao, C. C. Li, X. J. Sun, J. Z. Wei, Y. Qu, Z. J. Li, F. M. Zhang. J. Mater. Chem. A. 2020, 8, 4334.
doi: 10.1039/c9ta12870k |
| 25 |
M. Y. Gao, C. C. Li, H. Tang, X. J. Sun, H. Dong, F. M. Zhang. J. Mater. Chem. A. 2019, 7, 20193.
doi: 10.1039/c9ta07319a |
| 26 |
H. Dong, X. B. Meng, X. Zhang, H. L. Tang, J. W. Liu, J. H. Wang, J. Z. Wei, F. M. Zhang, L. L. Bai, X. J. Sun. Chem. Eng. J. 2020, 379, 122342.
doi: 10.1016/j.cej.2019.122342 |
| 27 |
J. Z. Cheng, B. Cheng, J. S. Xu, J. G. Yu, S. W. Cao. eScience 2024, 100354.
doi: 10.1016/j.esci.2024.100354 |
| 28 |
M. Wei, X. Zhou, C. Cheng, J. J. Zhang, C. J. Jiang, B. Cheng. J. Mater. Sci. Technol. 2025, 232, 302.
doi: 10.1016/j.jmst.2025.01.036 |
| 29 |
M. L. Gu, J. J. Zhang, I. V. Kurganskii, A. S. Poryvaev, M. V. FedinUnveiling, B. Cheng, J. G. Yu, L. Y. Zhang. Adv. Mater. 2025, 37, 2414803.
doi: 10.1002/adma.202414803 |
| 30 |
J. J. Cai, C. Cheng, B. W. Liu, J. Zhang, C. J. Jiang, B. Cheng. Acta Phys. Chim. Sin. 2025, 41, 100084.
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100084 |
| 31 |
Y. Wu, C. Cheng, K. Z. Qi, B. Cheng, J. J. Zhang, J. G. Yu, L. Y. Zhang. Acta Phys. Chim. Sin. 2024, 40, 2406027.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202406027 |
| 32 |
K. Meng, J. J. Zhang, B. C. Zhu, C. J. Jiang, H. García, J. G. Yu. Adv. Mater. 2025, 37, 2505088.
doi: 10.1002/adma.202505088 |
| 33 |
Y. Xia, K. Y. zhang, H. Yang, L. J. Shi, Q. Yi. Acta Phys. Chim. Sin. 2024, 40, 2407012.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202407012 |
| 34 |
S. Zhou, D. Wen, W. Zhong, J. J. Zhang, Y. R. Su, A. Y. Meng. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 199, 53.
doi: 10.1016/j.jmst.2024.02.048 |
| 35 |
S. Chandrasekaran, L. Yao, L. B. Deng, C. Bowen, Y. Zhang, S. M. Chen, Z. Q. Lin, F. Peng, P. X. Zhang. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 4178.
doi: 10.1039/c8cs00664d |
| 36 |
J. J. Wang, S. Lin, N. Tian, T. Y. Ma, Y. H. Zhang, H. W. Huang. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008008.
doi: 10.1002/adfm.202008008 |
| 37 |
X. L. Li, C. L. Zhang, S. L. Cai, X. H. Lei, V. Altoe, F. Hong, J. J. Urban, J. Ciston, E. M. Chan, Y. Liu. Nat. Commun. 2018, 9, 2998.
doi: 10.1038/s41467-018-05462-4 |
| 38 |
N. X. Li, H. L. Huang, R. Bibi, Q. H. Shen, R. Ngulube, J. C. Zhou, M. C. Liu. Appl. Surf. Sci. 2019, 476, 378- 386.
doi: 10.1016/j.apsusc.2019.01.105 |
| 39 |
X. T. Zhang, Q. F. Lu, H. Liu, K. Li, M. Z. Wei. Appl. Surf. Sci. 2020, 528, 146976.
doi: 10.1016/j.apsusc.2020.146976 |
| 40 |
T. Li, L. J. Zhang, X. H. Li, X. P. Wang, Z. L. Jin. J. Liaocheng Univ. (Nat. Sci.) 2023, 36, 25.
doi: 10.19728/j.issn1672-6634.2022030011 |
| 41 |
Y. X. Chen, X. Luo, J. J. Zhang, L. Hu, T. Xu, W. Li, L. Chen, M. Shen, S. B. Ren, D. M. Han, G. H. Ning, D. Li. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 24620.
doi: 10.1039/d2ta07271h |
| 42 |
Z. P. Xu, X. Li, L. L. Zang, X. Wang, Y. M. Zhao, K. Yang, W. P. Cheng, L. G. Sun. Int. J. Hydrog. Energy. 2024, 89, 443.
doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.09.365 |
| 43 |
H. Ren, H. Shao, L. J. Zhang, D. Guo, Q. Jin, R. B. Yu, L. Wang, Y. L. Li, Y. Wang, H. J. Zhao, D. Wang. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500296.
doi: 10.1016/10.1002/aenm.201570066 |
| 44 |
R. Z. Katal, S. Masudy-Panah, M. Sabbaghan, Z. Hossaini, M. H. D. A. Farahani. Sep. Purif. Technol 2020, 250, 117239.
doi: 10.1016/j.seppur.2020.117239 |
| 45 |
J. Gautam, D. Chanda, M. M. Meshesha, S. G. Jang, B. L. Yang. J. Colloid Interface Sci. 2023, 638, 658.
doi: 10.1016/j.jcis.2023.02.029 |
| 46 |
W. Y. Bi, Q. Zhou, Y. H. Sun, J. F. Wan, S. Z. Xie, Y. K. Hou, M. L. Yu, T. E. Li, J. J. Lian, B. Z. Liu. J. Alloy. Compd. 2024, 1005, 175847.
doi: 10.1016/j.jallcom.2024.175847 |
| 47 |
X. W, Zhao, M. J. Lei, Z. Chen, Z. L. Jin. J. Environ. Chem. Eng. 2024, 12, 114181.
doi: 10.1016/j.jece.2024.114181 |
| 48 |
Z. L. Jin, X. D. Jiang, Y. N. Liu. Renew. Energy 2024, 12, 114181.
doi: 10.1016/j.renene.2022.11.004 |
| 49 |
T. Banerjee, F. Haase, G. Savasci, K. Gottschling, C. Ochsenfeld, B. Lotsch. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 16228.
doi: 10.1021/jacs.7b07489 |
| 50 |
B. P. BiswalHugo, H. A. Vignolo-Gonález, T. Banerjee, L. Grunenberg, G. Savasci, K. Gottschling, J. Nuss, C. Ochsenfeld, B. Lotsch. J. Am. Chem. Soc 2019, 141, 11082.
doi: 10.1021/jacs.9b03243 |
| 51 |
Z. Xu, Y. Cui, B. Guo, H. Y. Li, H. X. Li. ChemCatChem 2021, 13, 958.
doi: 10.1002/cctc.202001631 |
| 52 |
S. Altınşık, G. Yanalak, İ. Patır, S. Koyuncu. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2023, 15, 18836.
doi: 10.1021/acsami.2c23233 |
| 53 |
L. Wang, R. Lian, Y. Zhang, X. L. Ma, J. W. Huang, H. D. She, C. L. Liu, Q. Z. Wang. App. Catal. B: Environ. 2022, 315, 121568.
doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121568 |
| 54 |
X. Li, J. G. Yu, J. X. Low, Y. P. Fang, J. Xiao, X. B. Chen. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 2485.
doi: 10.1039/c4ta04461d |
| 55 |
X. J. Wang, X. Tian, Y. J. Sun, J. Y. Zhu, F. T. Li, H. Y. Mu, J. Zhao. Nanoscale 2018(10), 12315.
doi: 10.1039/c8nr03846e |
| 56 |
L. B. Wang, B. Cheng, L. Y. Zhang. J. G. Small. 2021, 17, 2103447.
doi: 10.1002/smll.202103447 |
| 57 |
R. Q. Gao, H. He, J. X. Bai, L. Hao, R. C. Shen, P. Zhang, Y. J. Li, X. Li. Chin. J. Struct. Chem 2022, 41, 2206031.
doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2022-0096 |
| 58 |
X. Y. Chen, Z. Han, Z. H. Lu, T. T. Qu, C. Liang, Y. Wang, B. Zhang, X. J. Han, P. Xu. Sustainable Energy & Fuels. 2023, 7, 1311.
doi: 10.1039/d2se01717b |
| 59 |
R. Kavitha, C. Manjunatha, J. G. Yu, S. G. Kuma. Energy Chem. 2025, 7, 100159.
doi: 10.1016/j.enchem.2025.100159 |
| 60 |
L. Y. zhang, J. J. Zhang, J. G. Yu, H. García. Nat. Rev. Chem. 2025, 9, 328.
doi: 10.1038/s41570-025-00698-3 |
| 61 |
J. Liu. J. Phys. Chem. C. 2015, 119, 28417.
doi: 10.1021/acs.jpcc.5b09092 |
| 62 |
B. B. Zhao, J. C. Xu, D. D. Gao, F. Chen, X. F. Wang, T. Liu, X. H. Wu, H. G. Yu, S. Appl. Catal. B Environ. 2024, 355, 124215.
doi: 10.1016/j.apcatb.2024.124215 |
| 63 |
J. C. Wang, N. Mu, T. T. Bo, T. Z. Lin, Y. G. Hu, Y. Y. Lu, W. Zhou. Int. J. Hydrogen Energy. 2024, 83, 784.
doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.08.114 |
| [1] | 樊凡, 修浩, 王宇婷, 崔永朋, 王雅君. NH2-MIL-125/Na掺杂g-C3N4复合S型异质结的构建及其光催化产过氧化氢性能[J]. 物理化学学报, 2026, 42(2): 100143 - . |
| [2] | 赵呈孝, 李昭霖, 吴东方, 杨小飞. SBA-15模板化共价三嗪框架增强光催化产氢[J]. 物理化学学报, 2026, 42(1): 100149 - . |
| [3] | 葛成艳, 胡佳伟, 刘星雨, 宋玉玺, 刘超, 邹志刚. 自集成黑色NiO团簇与ZnIn2S4微球实现S型电子转移机制下光热辅助制氢[J]. 物理化学学报, 2026, 42(1): 100154 - . |
| [4] | 黄火帅, 韦之栋, 严嘉玮, 池家晟, 苏千翔, 陈铭夏, 江治, 孙洋洲, 上官文峰. 揭示ZnxCd1−xS固溶体光催化析氢中的直接-间接带隙跃迁机制[J]. 物理化学学报, 2026, 42(1): 100141 - . |
| [5] | 陈轼逸, 付家龙, 裘建平, 常国菊, 郝仕油. 废弃医用口罩衍生的碳量子点增强BiOBr/g-C3N4 S型异质结光催化降解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)[J]. 物理化学学报, 2026, 42(1): 100135 - . |
| [6] | 王文龙, 郝文韬, 何浪, 乔佳, 李宁, 陈朝秋, 覃勇. 碳量子点/TiO2 S型异质结的能带和吸附工程促进光催化CO2甲烷化[J]. 物理化学学报, 2025, 41(9): 100116 - . |
| [7] | 韦梦兰, 欧晓霞, 王艺濛, 张梦圆, 滕飞, 王凯旋. S型异质结g-C3N4/Bi2WO6高效降解左氧氟沙星:性能、机理及降解路径[J]. 物理化学学报, 2025, 41(9): 100105 - . |
| [8] | 蔡家杰, 程畅, 刘博文, 张建军, 姜传佳, 程蓓. CdS/DBTSO-BDTO S型异质结光催化制氢及其电荷转移动力学[J]. 物理化学学报, 2025, 41(8): 100084 - . |
| [9] | 袁乐汪, 彭垚垚, 管宗杰, 方煜. 二维共价有机框架作为光催化剂在有机合成中的研究进展[J]. 物理化学学报, 2025, 41(8): 100086 - . |
| [10] | 孟凡鹏, 赵飞, 林靖恺, 赵金生, 张华阳, 王少彬. 优化氮化碳纳米片/球形共轭聚合物S型异质结界面电场以促进析氢反应[J]. 物理化学学报, 2025, 41(8): 100095 - . |
| [11] | 王伟康, 吴亚栋, 张建军, 孟凯, 李金河, 王乐乐, 刘芹芹. 三聚氰胺泡沫支撑的S型硫铟锌镉/硫掺杂氮化碳异质结的绿色H2O2合成:协同界面电荷转移调控与局域光热效应[J]. 物理化学学报, 2025, 41(8): 100093 - . |
| [12] | 苗鑫宇, 杨浩, 何杰, 王晶, 靳治良. 调整Keggin型多金属氧酸盐电子结构构建S型异质结用于光催化析氢[J]. 物理化学学报, 2025, 41(6): 100051 - . |
| [13] | 杨祎, 周欣, 谷苗莉, 程蓓, 吴珍, 张建军. S型ZnO/CdIn2S4光催化剂制备H2O2偶联苄胺氧化的超快电子转移飞秒吸收光谱研究[J]. 物理化学学报, 2025, 41(6): 100064 - . |
| [14] | 李朋, 崔元映, 王中辽, DawsonGraham, 邵春风, 代凯. CeO2/Bi19Br3S27 S型异质结的高效界面电荷转移用于增强光催化CO2还原[J]. 物理化学学报, 2025, 41(6): 100065 - . |
| [15] | 吴金往, 谢琦靖, 张成亮, 史海峰. 自旋极化增强ZnFe1.2Co0.8O4/BiVO4 S型异质结光催化性能降解四环素[J]. 物理化学学报, 2025, 41(5): 100050 - . |
|
||