
物理化学学报 >> 2023, Vol. 39 >> Issue (6): 2208030.doi: 10.3866/PKU.WHXB202208030
所属专题: S型光催化剂
李真1, 刘雯2, 陈春旭1, 马婷婷2, 张金锋3,*(
), 王正华2,*(
)
收稿日期:2022-08-22
录用日期:2022-09-20
发布日期:2022-09-29
通讯作者:
张金锋,王正华
E-mail:zhwang@ahnu.edu.cn;jfzhang@chnu.edu.cn
Zhen Li1, Wen Liu2, Chunxu Chen1, Tingting Ma2, Jinfeng Zhang3,*(
), Zhenghua Wang2,*(
)
Received:2022-08-22
Accepted:2022-09-20
Published:2022-09-29
Contact:
Jinfeng Zhang, Zhenghua Wang
E-mail:zhwang@ahnu.edu.cn;jfzhang@chnu.edu.cn
摘要:
化石能源的问题限制了人类的发展。解决这个问题的有效方法是发展可持续性的清洁能源。近年来,氢气作为一种新型的清洁能源被争相报道。氢气燃烧热很大,且产物只有水,完全符合绿色环保可持续性能源的特点。因此,解决氢能源的生产方法就可以有效地解决能源危机问题。自TiO2在1972年作为光催化剂分解水产生氢气开始,半导体光催化剂分解水产生氢气登上了历史的舞台。然而,单一组分光催化剂的固有缺点限制了它的实际应用,寻找克服单一组分光催化剂缺点的解决方案仍然具有挑战性。相对于单一的光催化剂,复合材料光催化剂可以更有效地分离光生电子和空穴,增加光催化析氢反应的速率。因此,通过选择复合材料异质结处合适的光催化机制(如:S-scheme),可以进一步提升催化剂的光催化析氢活性和稳定性。本文通过改变合成条件获得了一系列具有不同带隙宽度的单一CdSe-DETA光催化剂。光催化实验显示调节CdSe-DETA的带隙(2.31 eV)可以获得最佳的光催化产氢活性,但是其稳定性很差。因此,我们将CdSe-DETA纳米花附着在In2O3多孔纳米片表面,构建了In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料,以提升光催化析氢活性,稳定性和光电流响应。In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料中异质结的类型可随着CdSe-DETA带隙宽度的改变而变化。随着CdSe-DETA带隙宽度的增加,异质结的类型可从Type-I型转变到S-scheme型。相对于单一光催化剂和Type-I型光催化剂,S-scheme型In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料具有更高的光催化活性以及良好的稳定性。因此,我们选择S-scheme异质结的In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料来获得光催化活性和稳定性的最大收益。此外,我们通过差分电荷密度计算结合实验结果证实了S-scheme异质结的存在。S-scheme异质结In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料有效分离了光生电子和空穴,最大程度地利用复合材料的导带和价带,高效且稳定的光催化析氢。本研究展示了一种调制载流子转移机制的策略,可为开发高效的析氢光催化剂提供借鉴。
李真, 刘雯, 陈春旭, 马婷婷, 张金锋, 王正华. 将In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料中的电荷转移从Type-I转变为S-Scheme以提高光催化制氢的活性和稳定性[J]. 物理化学学报, 2023, 39(6), 2208030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202208030
Zhen Li, Wen Liu, Chunxu Chen, Tingting Ma, Jinfeng Zhang, Zhenghua Wang. Transforming the Charge Transfer Mechanism in the In2O3/CdSe-DETA Nanocomposite from Type-I to S-Scheme to Improve Photocatalytic Activity and Stability During Hydrogen Production[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39(6), 2208030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202208030
Fig 2
UV-Vis DRS of (a) CdSe-DETA synthesized under different reaction time and (b) CdSe-DETA synthesized under different reaction temperature; The plots of (αhν)2 and (hν) for (c) CdSe-DETA synthesized under different reaction time and (d) CdSe-DETA synthesized under different reaction temperature. (e) Band gap distribution of CdSe-DETA."
Fig 7
(a) Photocatalytic H2 production rates of as-prepared photocatalysts. (b) Cycling stability for the 0.15-IC and CdSe-DETA-(100-30m). (c) Photocurrent density-time curves of CdSe-DETA-(100-30m), 0.15-IC and In2O3. (d) Nyquist plots of CdSe-DETA-(100-30m), 0.15-IC and In2O3, color online."
| 1 |
Low, J.; Yu, J.; Jaroniec, M.; Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A. Adv. Mater. 2017, 29, 1601694.
doi: 10.1002/adma.201601694 |
| 2 |
Wen, J.; Xie, J.; Chen, X.; Li, X. Appl. Surf. Sci. 2017, 391, 72.
doi: 10.1016/j.apsusc.2016.07.030 |
| 3 |
Nosaka, Y.; Nosaka, A. Y. Chem. Rev. 2017, 117, 11302.
doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00161 |
| 4 |
Fu, J.; Yu, J.; Jiang, C.; Cheng, B. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701503.
doi: 10.1002/aenm.201701503 |
| 5 |
Ran, J.; Gao, G.; Li, F.-T.; Ma, T.-Y.; Du, A.; Qiao, S.-Z. Nat. Commun. 2017, 8, 13907.
doi: 10.1038/ncomms13907 |
| 6 |
Ong, C. B.; Ng, L. Y.; Mohammad, A. W. Renew. Sustain. Energy Rev. 2018, 81, 536.
doi: 10.1016/j.rser.2017.08.020 |
| 7 |
Fu, J.; Xu, Q.; Low, J.; Jiang, C.; Yu, J. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 243, 556.
doi: 10.1016/j.apcatb.2018.11.011 |
| 8 |
Chen, S.; Takata, T.; Domen, K. Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 17050.
doi: 10.1038/natrevmats.2017.50 |
| 9 |
Wang, Z.; Li, C.; Domen, K. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 2109.
doi: 10.1039/c8cs00542g |
| 10 |
Jiang, L.; Yuan, X.; Pan, Y.; Liang, J.; Zeng, G.; Wu, Z.; Wang, H. Appl. Catal. B-Environ. 2017, 217, 388.
doi: 10.1016/j.apcatb.2017.06.003 |
| 11 |
Dhakshinamoorthy, A.; Li, Z.; Garcia, H. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 8134.
doi: 10.1039/c8cs00256h |
| 12 |
Liu, X.; Iocozzia, J.; Wang, Y.; Cui, X.; Chen, Y.; Zhao, S.; Li, Z.; Lin, Z. Energy Environ. Sci. 2017, 10, 402.
doi: 10.1039/c6ee02265k |
| 13 |
Pirhashemi, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Pouran, S. R. J. Ind. Eng. Chem. 2018, 62, 1.
doi: 10.1016/j.jiec.2018.01.012 |
| 14 |
Cheng, L.; Xiang, Q.; Liao, Y.; Zhang, H. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 1362.
doi: 10.1039/c7ee03640j |
| 15 |
Byrne, C.; Subramanian, G.; Pillai, S. C. J. Environ. Chem. Eng. 2018, 6, 3531.
doi: 10.1016/j.jece.2017.07.080 |
| 16 |
Yu, K.; Jiang, P.; Yuan, H.; He, R.; Zhu, W.; Wang, L. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 288, 119978.
doi: 10.1016/j.apcatb.2021.119978 |
| 17 |
Yuan, Y.; Sheng, K.; Zeng, S.; Han, X.; Sun, L.; Loncaric, I.; Zhan, W.; Sun, D. Inorg. Chem. 2020, 59, 5456.
doi: 10.1021/acs.inorgchem.0c00084 |
| 18 |
Qi, H.; Shi, C.; Jiang, X.; Teng, M.; Sun, Z.; Huang, Z.; Pan, D.; Liu, S.; Guo, Z. Nanoscale 2020, 12, 19112.
doi: 10.1039/d0nr02965c |
| 19 |
Wu, S.; Yu, H.; Chen, S.; Quan, X. ACS Catal. 2020, 10, 14380.
doi: 10.1021/acscatal.0c03359 |
| 20 |
Yu, H.; Jiang, L.; Wang, H.; Huang, B.; Yuan, X.; Huang, J.; Zhang, J.; Zeng, G. Small 2019, 15, 1901008.
doi: 10.1002/smll.201901008 |
| 21 |
Guan, W.; Li, Y.; Zhong, Q.; Liu, H.; Chen, J.; Hu, H.; Lv, K.; Gong, J.; Xu, Y.; Kang, Z.; et al Nano Lett. 2021, 21, 597.
doi: 10.1021/acs.nanolett.0c04073 |
| 22 |
Ma, D.; Shi, J.-W.; Sun, D.; Zou, Y.; Cheng, L.; He, C.; Wang, Z.; Niu, C. ACS Sustain. Chem. Eng. 2019, 7, 547.
doi: 10.1021/acssuschemeng.8b04086 |
| 23 |
Putri, L. K.; Ng, B.-J.; Ong, W.-J.; Lee, H. W.; Chang, W. S.; Mohamed, A. R.; Chai, S.-P. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 265, 118592.
doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118592 |
| 24 |
Lu, J.; Yan, J.; Yao, J.; Zheng, Z.; Mao, B.; Zhao, Y.; Li, J. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007987.
doi: 10.1002/adfm.202007987 |
| 25 |
Cao, A.; Wang, Z.; Li, H.; Norskov, J. K. ACS Catal. 2021, 11, 1780.
doi: 10.1021/acscatal.0c05046 |
| 26 |
Guan, X.; Sun, X.; Feng, H.; Zhang, J.; Wen, H.; Tian, W.; Zheng, D.; Yao, Y. Chem. Commun. 2020, 56, 13571.
doi: 10.1039/d0cc05585a |
| 27 |
Raziq, F.; Hayat, A.; Humayun, M.; Mane, S. K. B.; Faheem, M. B.; Ali, A.; Zhao, Y.; Han, S.; Cai, C.; Li, W.; et al Appl. Catal. B-Environ. 2020, 270, 118867.
doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118867 |
| 28 |
Wang, H.; Rong, H.; Wang, D.; Li, X.; Zhang, E.; Wan, X.; Bai, B.; Xu, M.; Liu, J.; Liu, J.; et al Small 2020, 16, 2000426.
doi: 10.1002/smll.202000426 |
| 29 |
Wang, H.; Gao, Y.; Liu, J.; Li, X.; Ji, M.; Zhang, E.; Cheng, X.; Xu, M.; Liu, J.; Rong, H.; et al Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803889.
doi: 10.1002/aenm.201803889 |
| 30 |
Shen, C.; Sun, K.; Zhang, Z.; Rui, N.; Jia, X.; Mei, D.; Liu, C.-J. ACS Catal. 2021, 11, 4036.
doi: 10.1021/acscatal.0c05628 |
| 31 |
Mu, F.; Liu, C.; Xie, Y.; Zhou, S.; Dai, B.; Xia, D.; Huang, H.; Zhao, W.; Sun, C.; Kong, Y.; et al Chem. Eng. J. 2021, 415, 129010.
doi: 10.1016/j.cej.2021.129010 |
| 32 |
Li, Z.; Zhang, J.; Lv, J.; Lu, L.; Liang, C.; Dai, K. J. Alloy. Compd. 2018, 758, 162.
doi: 10.1016/j.jallcom.2018.05.115 |
| 33 |
Jiang, G.; Zheng, C.; Yan, T.; Jin, Z. Dalton Trans. 2021, 50, 5360.
doi: 10.1039/d1dt00799h |
| 34 |
Ma, X.; Li, D.; Su, P.; Jiang, Z.; Jin, Z. ChemCatChem 2021, 13, 2179.
doi: 10.1002/cctc.202002069 |
| 35 |
Zhang, L.; Jin, Z. Nanoscale 2021, 13, 1340.
doi: 10.1039/d0nr07821b |
| 36 |
Lian, Z.; Sakamoto, M.; Kobayashi, Y.; Tamai, N.; Ma, J.; Sakurai, T.; Seki, S.; Nakagawa, T.; Lai, M. -W.; Haruta, M.; et al ACS Nano 2019, 13, 8356.
doi: 10.1021/acsnano.9b03826 |
| 37 |
Lu, C.; Guo, F.; Yan, Q.; Zhang, Z.; Li, D.; Wang, L.; Zhou, Y. J. Alloy. Compd. 2019, 811, 151976.
doi: 10.1016/j.jallcom.2019.151976 |
| 38 |
Cai, H.; Wang, B.; Xiong, L.; Bi, J.; Yuan, L.; Yang, G.; Yang, S. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 256, 117853.
doi: 10.1016/j.apcatb.2019.117853 |
| 39 |
Zhang, X.; Cheng, Z.; Deng, P.; Zhang, L.; Hou, Y. Int. J. Hydrog. Energy 2021, 46, 15389.
doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.02.018 |
| 40 | Huang, Y.; Mei, F.; Zhang, J.; Dai, K.; Dawson, G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2108028. |
|
黄悦, 梅飞飞, 张金锋, 代凯, Dawson, G. 物理化学学报, 2022, 38, 2108028.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202108028 |
|
| 41 |
Xie, Q.; He, W.; Liu, S.; Li, C.; Zhang, J.; Wong, P. K. Chin. J. Catal. 2020, 41, 140.
doi: 10.1016/s1872-2067(19)63481-9 |
| 42 |
Xiao, Y.; Ji, Z.; Zou, C.; Xu, Y.; Wang, R.; Wu, J.; Liu, G.; He, P.; Wang, Q.; Jia, T. Appl. Surf. Sci. 2021, 556, 149767.
doi: 10.1016/j.apsusc.2021.149767 |
| 43 |
Yang, Y.; Zhang, D.; Fan, J.; Liao, Y.; Xiang, Q. Sol. RRL 2021, 5, 2000351.
doi: 10.1002/solr.202000351 |
| 44 |
Ge, H.; Xu, F.; Cheng, B.; Yu, J.; Ho, W. ChemCatChem 2019, 11, 6301.
doi: 10.1002/cctc.201901486 |
| 45 |
Wu, S.; Yu, X.; Zhang, J.; Zhang, Y.; Zhu, Y.; Zhu, M. Chem. Eng. J. 2021, 411, 128555.
doi: 10.1016/j.cej.2021.128555 |
| 46 |
Xia, P.; Cao, S.; Zhu, B.; Liu, M.; Shi, M.; Yu, J.; Zhang, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 5218.
doi: 10.1002/anie.201916012 |
| 47 | Han, G.; Xu, F.; Cheng, B.; Li, Y.; Yu, J.; Zhang, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2112037. |
|
韩高伟, 徐飞燕, 程蓓, 李佑稷, 余家国, 张留洋 物理化学学报, 2022, 38, 2112037.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202112037 |
|
| 48 |
Masson, D. P.; Lockwood, D. J.; Graham, M. J. J. Appl. Phys. 1997, 82, 1632.
doi: 10.1063/1.366263 |
| 49 |
Zhao, B.; Liu, J.; Xu, C.; Feng, R.; Sui, P.; Luo, J.-X.; Wang, L.; Zhang, J.; Luo, J.-L.; Fu, X.-Z. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 285, 119800.
doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119800 |
| 50 |
Wang, Z.; Chen, Y.; Zhang, L.; Cheng, B.; Yu, J.; Fan, J. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 143.
doi: 10.1016/j.jmst.2020.02.062 |
| 51 |
Zheng, J.; Zhang, L. Appl. Catal. B-Environ. 2018, 237, 1.
doi: 10.1016/j.apcatb.2018.05.060 |
| [1] | 刘彬彬, 陈杨, 贾天赐, 陈辰, 吴章豪, 刘毓辉, 翟宇航, 马天舒, 王长擂. 羟基功能化分子工程消除二维相壁垒实现高效宽带隙及全钙钛矿叠层太阳能电池[J]. 物理化学学报, 2026, 42(1): 100128 - . |
| [2] | 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 - . |
| [3] | 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 - . |
| [4] | 洪佳楠, 许辰宇, 刘烟, 黎昌棋, 王梦琳, 张彦威. 通过边缘活性位点调控解析光热催化中析氢与二氧化碳还原的界面竞争[J]. 物理化学学报, 2025, 41(9): 100099 - . |
| [5] | 李钦, 张慧慧, 顾华军, 崔园园, 高瑞华, 戴维林. Ti3C2 MXene纳米片上原位生长的Cd0.5Zn0.5S纳米棒实现高效可见光催化析氢[J]. 物理化学学报, 2025, 41(4): 100031 - . |
| [6] | 赵鑫婉, 曹越, 雷敏军, 靳治良, Tsubaki Noritatsu. 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 - . |
| [7] | 柳如艳, 倪振瑞, RuzimuradovOlim, TurayevKhayit, 刘涛, 余罗, 邝攀勇. Ni诱导的Pt 5d-H 1s反键轨道调控以增强析氢和尿素氧化[J]. 物理化学学报, 2025, 41(12): 100159 - . |
| [8] | 秦露冰, 孙芳, 李美银, 范浩, 王立开, 唐青, 王春栋, 唐正华. 原子精确的(AgPd)27团簇用于硝酸盐电还原制氨:一种配体诱导策略来调控金属核[J]. 物理化学学报, 2025, 41(1): 100008 - . |
| [9] | 秦春玲, 陈爽, GomaaHassanien, ShenashenMohamed A., El-SaftySherif A., 刘倩, 安翠华, 刘熙俊, 邓齐波, 胡宁. 外加物理场调控二维材料的HER和OER性能[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9): 2307059 - . |
| [10] | 孙巍, 王永靖, 项坤, 白赛帅, 王海涛, 邹菁, Arramel, 江吉周. CoP修饰Ti3C2Tx MXene纳米复合材料作为高效析氢反应电催化剂[J]. 物理化学学报, 2024, 40(8): 2308015 - . |
| [11] | 肖林锋, 任婉璐, 沈诗诗, 陈梦姗, 廖润华, 周英棠, 李喜宝. 调控ZnIn2S4/Bi2O3 S型异质结的电子结构和润湿性增强光催化析氢[J]. 物理化学学报, 2024, 40(8): 2308036 - . |
| [12] | 卢华森, 宋世旭, 贾萁森, 刘光波, 姜鲁华. 用于光电催化水分解的氧化亚铜基光电阴极研究进展[J]. 物理化学学报, 2024, 40(2): 2304035 - . |
| [13] | 黄凯辉, 陈德俊, 张欣, 沈荣晨, 张鹏, 许第发, 李鑫. 构建共价三嗪框架/氮掺杂碳包覆氧化亚铜S型异质结促进光催化析氢[J]. 物理化学学报, 2024, 40(12): 2407020 - . |
| [14] | RazaAsif Hassan, FarhanShumail, 余志贤, 吴艳. 用于高效制氢的双S型ZnS/ZnO/CdS异质结构光催化剂[J]. 物理化学学报, 2024, 40(11): 2406020 - . |
| [15] | 周正宇, 姚惠琴, 吴有林, 李腾, 椿范立, 靳治良. Cu-石墨炔/双金属钨酸盐S型异质结协同增强光催化析氢[J]. 物理化学学报, 2024, 40(10): 2312010 - . |
|
||