物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (1): 2304018.doi: 10.3866/PKU.WHXB202304018
论文 上一篇
赖可溱1,2, 李丰彦1,2, 李宁1,2, 高旸钦1,2, 戈磊1,2,*()
收稿日期:
2023-04-06
录用日期:
2023-05-22
发布日期:
2023-08-21
通讯作者:
戈磊
E-mail:gelei@cup.edu.cn
基金资助:
Kezhen Lai1,2, Fengyan Li1,2, Ning Li1,2, Yangqin Gao1,2, Lei Ge1,2,*()
Received:
2023-04-06
Accepted:
2023-05-22
Published:
2023-08-21
Contact:
Lei Ge
E-mail:gelei@cup.edu.cn
Supported by:
摘要:
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ZnIn2S4纳米片合成了Ni-CNT/ZnIn2S4。在Ni-CNT/ZnIn2S4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/ZnIn2S4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/ZnIn2S4样品具有最佳的产氢性能(12267 μmol·h−1·g−1),约为纯ZnIn2S4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/ZnIn2S4异质结构的存在。电化学测试表明,Ni-CNT与ZnIn2S4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ZnIn2S4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ZnIn2S4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ZnIn2S4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,ZnIn2S4的能带向下弯曲,促进光生电子从ZnIn2S4流向Ni-CNT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ZnIn2S4,表明光生电子转移途径为ZnIn2S4 → 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. 金属-有机骨架衍生的Ni-CNT/ZnIn2S4异质结用于光催化产氢及其电荷转移途径的确定[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1), 2304018. doi: 10.3866/PKU.WHXB202304018
Kezhen Lai, Fengyan Li, Ning Li, Yangqin Gao, Lei Ge. Identification of Charge Transfer Pathways in Metal-Organic Framework- Derived Ni-CNT/ZnIn2S4 Heterojunctions for Photocatalytic Hydrogen Evolution[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40(1), 2304018. doi: 10.3866/PKU.WHXB202304018
Fig 3
(a) Photocatalytic performance for H2 production of ZnIn2S4, Ni-CNT and xNi-CNT/ZIS composites; (b) the AQY of 38Ni-CNT/ZIS sample under 420 nm light irradiation; (c) recycling experiments of photocatalytic H2 evolution over 38Ni-CNT/ZIS; (d) different co-catalysts for ZnIn2S4 under visible light irradiation."
Table 1
Comparison of H2 production performance and apparent quantum efficiency at the 420 nm monochromatic wavelength."
Sample | H2 evolution (μmol∙h−1∙g−1) | AQY (%) | Reference |
WO3@ZnIn2S4 | 8500 | 3.61 | |
ZnIn2S4/g-C3N4/Ti3C2 | 2452.1 | 11.9 | |
Ti3C2/ZnIn2S4/CdS | 8930 | 0.79 | |
g-C3N4/ZnIn2S4 | 2780 | 7.05 | |
ZnIn2S4/NH2-MIL-125(Ti) | 2204.2 | 4.3 | |
ZnIn2S4/CdS | 3072 | 15.9 | |
Ni-CNT/ZnIn2S4 | 12267 | 11.3 | this work |
Fig 6
Optimized geometric structures of (a) ZnIn2S4, (b) CNT/ZIS and (c) Ni-CNT/ZIS. (d) Calculated WF of the samples. The planar-averaged electron density difference Δρ and corresponding side view of electron density difference over (e) CNT/ZIS and (f) Ni-CNT/ZIS (The yellow region represents electrons accumulation, and blue region represents electrons depletion). (g) ΔGH* plot and (h) −COHP plots of the photocatalysts. (i) Linear graph of ΔGH* and ICOHP. Color online."
1 |
Turner J. A. Science 2004, 305, 972.
doi: 10.1126/science.1103197 |
2 |
Li Y. ; Zhang H. ; Xu T. ; Lu Z. ; Wu X. ; Wan P. ; Sun X. ; Jiang L. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 1737.
doi: 10.1002/adfm.201404250 |
3 |
Abe J. O. ; Popoola A. P. I. ; Ajenifuja E. ; Popoola O. M. Int. J. Hydrog. Energy 2019, 44, 15072.
doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.04.068 |
4 |
Armaroli N. ; Balzani V. ChemSusChem 2011, 4, 21.
doi: 10.1002/cssc.201000182 |
5 |
Ball M. ; Wietschel M. Int. J. Hydrog. Energy 2009, 34, 615.
doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.11.014 |
6 |
Fujishima A. ; Honda K. Nature 1972, 238, 37.
doi: 10.1038/238037a0 |
7 |
Hashimoto K. ; Irie H. ; Fujishima A. Jpn. J. Appl. Phys. 2005, 44, 8269.
doi: 10.1143/JJAP.44.8269 |
8 |
Li X. L. ; Yang G. Q. ; Li S. S. ; Xiao N. ; Li N. ; Gao Y. Q. ; Lv D. ; Ge L. Chem. Eng. J. 2020, 379, 122350.
doi: 10.1016/j.cej.2019.122350 |
9 |
Li X. L. ; He R. B. ; Dai Y. J. ; Li S. S. ; Xiao N. ; Wang A. X. ; Gao Y. Q. ; Li N. ; Gao J. F. ; Zhang L. H. ; et al Chem. Eng. J. 2020, 400, 125474.
doi: 10.1016/j.cej.2020.125474 |
10 |
Zhang Y. ; Yun S. ; Sun M. ; Wang X. ; Zhang L. ; Dang J. ; Yang C. ; Yang J. ; Dang C. ; Yuan S. J. Colloid Interface Sci. 2021, 604, 441.
doi: 10.1016/j.jcis.2021.06.152 |
11 |
Cao S. ; Yu J. ; Wageh S. ; Al-Ghamdi A. A. ; Mousavi M. ; Ghasemi J. B. ; Xu F. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 17174.
doi: 10.1039/D2TA05181H |
12 |
Wang L. ; Yang T. ; Peng L. ; Zhang Q. ; She X. ; Tang H. ; Liu Q. Chin. J. Catal. 2022, 43, 2720.
doi: 10.1016/S1872-2067(22)64133-0 |
13 |
Gou X. ; Cheng F. ; Shi Y. ; Zhang L. ; Peng S. ; Chen J. ; Shen P. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7222.
doi: 10.1021/ja0580845 |
14 |
Bai J. ; Chen W. ; Shen R. ; Jiang Z. ; Zhang P. ; Liu W. ; Li X. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 112, 85.
doi: 10.1016/j.jmst.2021.11.003 |
15 |
Gao B. ; Chen W. ; Liu J. ; An J. ; Wang L. ; Zhu Y. ; Sillanpää M. J. Photochem. Photobiol. A 2018, 364, 732.
doi: 10.1016/j.jphotochem.2018.07.008 |
16 |
Song Y. ; Zhang J. ; Dong X. ; Li H. Energy Technol. 2021, 9 (5), 2100033.
doi: 10.1002/ente.202100033 |
17 |
Peng S. ; Wu Y. ; Zhu P. ; Thavasi V. ; Ramakrishna S. ; Mhaisalkar S. G. J. Mater. Chem. 2011, 21, 15718.
doi: 10.1039/C1JM12432C |
18 |
Sun L. ; Qi Y. ; Jia C. J. ; Jin Z. ; Fan W. Nanoscale 2014, 6, 2649.
doi: 10.1039/C3NR06104C |
19 |
Zhou P. ; Zhang Q. ; Xu Z. ; Shang Q. ; Wang L. ; Chao Y. ; Li Y. ; Chen H. ; Lv F. ; Zhang Q. ; et al Adv. Mater. 2020, 32 (7), 1904249.
doi: 10.1002/adma.201904249 |
20 |
Xiao N. ; Li S. ; Li X. ; Ge L. ; Gao Y. ; Li N. Chin. J. Catal. 2020, 41, 642.
doi: 10.1016/S1872-2067(19)63469-8 |
21 |
Ha Y. ; Shi L. ; Yan X. ; Chen Z. ; Li Y. ; Xu W. ; Wu R. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 45546.
doi: 10.1021/acsami.9b13580 |
22 |
Luo S. ; Li X. ; Zhang B. ; Luo Z. ; Luo M. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 26891.
doi: 10.1021/acsami.9b07100 |
23 |
Jiang J. ; Liu Q. ; Zeng C. ; Ai L. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 16929.
doi: 10.1039/C7TA04893 |
24 |
Zhao H. ; Yuan Z.-Y. Catal. Sci. Technol. 2017, 7, 330.
doi: 10.1039/C6CY01719C |
25 |
Li X. ; Gao Y. ; Li N. ; Ge L. Int. J. Hydrog. Energy 2022, 47, 27961.
doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.06.119 |
26 |
Guo Y. ; Tang J. ; Wang Z. ; Kang Y.-M. ; Bando Y. ; Yamauchi Y. Nano Energy 2018, 47, 494.
doi: 10.1016/j.nanoen.2018.03.012 |
27 |
Zeng Z. ; Su Y. ; Quan X. ; Choi W. ; Zhang G. ; Liu N. ; Kim B. ; Chen S. ; Yu H. ; Zhang S. Nano Energy 2020, 69, 104409.
doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104409 |
28 |
Jiang K. ; Siahrostami S. ; Zheng T. ; Hu Y. ; Hwang S. ; Stavitski E. ; Peng Y. ; Dynes J. ; Gangisetty M. ; Su D. ; et al Energy Environ. Sci. 2018, 11, 893.
doi: 10.1039/C7EE03245E |
29 |
Gao J. ; Zhang F. ; Xue H. ; Zhang L. ; Peng Y. ; Li X. ; Gao Y. ; Li N. ; Lei G. Appl. Catal. B 2021, 281, 119509.
doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119509 |
30 |
Sun Z. ; Wang Y. ; Zhang L. ; Wu H. ; Jin Y. ; Li Y. ; Shi Y. ; Zhu T. ; Mao H. ; Liu J. ; et al Adv. Funct. Mater. 2020, 30 (15), 1910482.
doi: 10.1002/adfm.201910482 |
31 |
Yu H. ; Fisher A. ; Cheng D. ; Cao D. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 21431.
doi: 10.1021/acsami.6b04189 |
32 |
Chen Z. ; Wu R. ; Liu Y. ; Ha Y. ; Guo Y. ; Sun D. ; Liu M. ; Fang F. Adv. Mater. 2018, 30 (30), 1802011.
doi: 10.1002/adma.201802011 |
33 |
Joya K. S. ; Sinatra L. ; AbdulHalim L. G. ; Joshi C. P. ; Hedhili M. N. ; Bakr O. M. ; Hussain I. Nanoscale 2016, 8, 9695.
doi: 10.1039/C6NR00709K |
34 |
Yang L. ; Shi L. ; Wang D. ; Lv Y. ; Cao D. Nano Energy 2018, 50, 691.
doi: 10.1016/j.nanoen.2018.06.023 |
35 |
Zou H. ; Li G. ; Duan L. ; Kou Z. ; Wang J. Appl. Catal. B 2019, 259, 118100.
doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118100 |
36 | Shen R. C. ; Hao L. ; Chen Q. ; Zheng Q. Q. ; Zhang P. ; Li X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38 (7), 2110014. |
沈荣晨; 郝磊; 陈晴; 郑巧清; 张鹏; 李鑫; 物理化学学报, 2022, 38 (7), 2110014.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202110014 |
|
37 |
Li S. ; Gao Y. ; Li N. ; Ge L. ; Bu X. ; Feng P. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 1897.
doi: 10.1039/D0EE03697H |
38 |
Lu Z. ; Wang J. ; Huang S. ; Hou Y. ; Li Y. ; Zhao Y. ; Mu S. ; Zhang J. ; Zhao Y. Nano Energy 2017, 42, 334.
doi: 10.1016/j.nanoen.2017.11.004 |
39 |
Sun M. ; Li Z. ; Liu Y. ; Guo D. ; Xie Z. ; Huang Q. Int. J. Hydrog. Energy 2020, 45, 31892.
doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.08.213 |
40 |
Di T. ; Zhang L. ; Cheng B. ; Yu J. ; Fan J. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 170.
doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.032 |
41 |
Xie Y. ; Feng C. ; Guo Y. ; Li S. ; Guo C. ; Zhang Y. ; Wang J. Appl. Surf. Sci. 2021, 536, 147786.
doi: 10.1016/j.apsusc.2020.147786 |
42 |
Wu K. ; Wu C. ; Bai W. ; Li N. ; Gao Y. ; Ge L. Colloids Surf. A 2023, 663, 131089.
doi: 10.1016/j.colsurfa.2023.131089 |
43 |
Li X. ; Song S. ; Gao Y. ; Ge L. ; Song W. ; Ma T. ; Liu J. Small 2021, 17 (31), 2101315.
doi: 10.1002/smll.202101315 |
44 |
Lu P. ; Yang Y. ; Yao J. ; Wang M. ; Dipazir S. ; Yuan M. ; Zhang J. ; Wang X. ; Xie Z. ; Zhang G. Appl. Catal. B 2019, 241, 113.
doi: 10.1016/j.apcatb.2018.09.025 |
45 |
Liu H. ; Zhang J. ; Ao D. Appl. Catal. B 2018, 221, 433.
doi: 10.1016/j.apcatb.2017.09.043 |
46 |
Zhu Y. ; Chen J. ; Shao L. ; Xia X. ; Liu Y. ; Wang L. Appl. Catal. B 2020, 268, 118744.
doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118744 |
47 | Zhang Y. N. ; Gao M. ; Chen S. T. ; Wang H. Q. ; Huo P. W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (6), 2211051. |
张怡宁; 高明; 陈松涛; 王会琴; 霍鹏伟; 物理化学学报, 2023, 39 (6), 2211051.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202211051 |
|
48 |
Wang S. ; Wang Y. ; Zhang S. L. ; Zang S. Q. ; Lou X. W. Adv. Mater. 2019, 31 (41), 1903404.
doi: 10.1002/adma.201903404 |
49 |
Li Z. ; He H. ; Cao H. ; Sun S. ; Diao W. ; Gao D. ; Lu P. ; Zhang S. ; Guo Z. ; Li M. ; et al Appl. Catal. B 2019, 240, 112.
doi: 10.1016/j.apcatb.2018.08.074 |
50 |
Li T. ; Luo G. ; Liu K. ; Li X. ; Sun D. ; Xu L. ; Li Y. ; Tang Y. Adv. Funct. Mater. 2018, 28 (51), 1805828.
doi: 10.1002/adfm.201805828 |
51 |
Liu C. ; Yang Z. ; Li Y. RSC Adv. 2016, 6, 32983.
doi: 10.1039/C6RA00984K |
52 |
Tang J. Y. ; Yang D. ; Zhou W. G. ; Guo R. T. ; Pan W. G. ; Huang C. Y. J. Catal. 2019, 370, 79.
doi: 10.1016/j.jcat.2018.12.009 |
[1] | 秦春玲, 陈爽, Hassanien Gomaa, Mohamed A. Shenashen, Sherif A. El-Safty, 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 - . |
[2] | 蔡宇珊, 肖方兴. MXenes基光催化剂的进展、挑战和展望[J]. 物理化学学报, 2024, 40(8): 2306048 - . |
[3] | 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 - . |
[4] | 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 - . |
[5] | 王海涛, 余良浪, 江吉周, Arramel, 邹菁. 硫取代氮增强g-C3N4光催化产氢性能[J]. 物理化学学报, 2024, 40(5): 2305047 - . |
[6] | 胡佳伟, 夏楷, 杨奥, 张志豪, 肖雯, 刘超, 张勤芳. 超薄2D/2D NiPS3/C3N5异质结的界面工程促进光催化产氢[J]. 物理化学学报, 2024, 40(5): 2305043 - . |
[7] | 丁慧伟, 彭博, 王志豪, 韩巧凤. 铋基光催化剂的金属或非金属改性研究进展[J]. 物理化学学报, 2024, 40(4): 2305048 - . |
[8] | 陈慧滢, 朱浩林, 廖培钦, 陈小明. 一例整合了三联吡啶钌和卟啉锌的金属-有机框架材料用于光催化二氧化碳还原全反应[J]. 物理化学学报, 2024, 40(4): 2306046 - . |
[9] | 郭艳辉, 魏丽, 温中林, 戚朝荣, 江焕峰. 二氧化碳转化为氨基甲酸酯的研究进展[J]. 物理化学学报, 2024, 40(4): 2307004 - . |
[10] | 汪园青, 潘育松, 朱红梧, 向妍蕾, 韩蓉, 黄润, 杜超, 潘成岭. 高级氧化和可见光照射协同作用下Bi2WO6对有机污染物降解的催化活性增强[J]. 物理化学学报, 2024, 40(4): 2304050 - . |
[11] | 邢雅娟, 薛辉, 孙静, 郭念坤, 宋天山, 孙佳雯, 郝翊茹, 王勤. Cu3P辅助诱导Ni2P电荷定向转移和表面重构以获得高效析氧活性[J]. 物理化学学报, 2024, 40(3): 2304046 - . |
[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] | 方文诚, 刘东, 张莹, 冯浩, 李强. 多酸修饰的CuBi2O4/Mg-CuBi2O4同质结光阴极用于高效光电化学转化[J]. 物理化学学报, 2024, 40(2): 2304006 - . |
[14] | 曹玥晗, 郭瑞, 马敏智, 黄泽皑, 周莹. 活性位点电子密度变化对光催化CO2活化和选择转化的影响[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2303029 - . |
[15] | 张珹博, 陶晓萍, 蒋文超, 郭俊雪, 张鹏飞, 李灿, 李仁贵. 微波辅助合成促进铬酸铋晶体的光生电荷分离[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2303034 - . |
|