
物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (1): 2304018.doi: 10.3866/PKU.WHXB202304018
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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
修回日期:2023-05-20
录用日期:2023-05-22
发布日期:2023-08-21
通讯作者:
Email: gelei@cup.edu.cn; Tel.: +86-18890325013 (戈磊)
基金资助:
Kezhen Lai1,2, Fengyan Li1,2, Ning Li1,2, Yangqin Gao1,2, Lei Ge1,2,*(
)
Received:2023-04-06
Revised:2023-05-20
Accepted:2023-05-22
Published:2023-08-21
Contact:
Email: gelei@cup.edu.cn; Tel.: +86-18890325013 (Lei Ge)
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 |
doi: 10.1126/science.1103197 |
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doi: 10.1002/adfm.201404250 |
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doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.11.014 |
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doi: 10.1143/JJAP.44.8269 |
| 8 |
doi: 10.1016/j.cej.2019.122350 |
| 9 |
doi: 10.1016/j.cej.2020.125474 |
| 10 |
doi: 10.1016/j.jcis.2021.06.152 |
| 11 |
doi: 10.1039/D2TA05181H |
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doi: 10.1016/S1872-2067(22)64133-0 |
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doi: 10.1021/ja0580845 |
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doi: 10.1016/j.jmst.2021.11.003 |
| 15 |
doi: 10.1016/j.jphotochem.2018.07.008 |
| 16 |
doi: 10.1002/ente.202100033 |
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doi: 10.1039/C1JM12432C |
| 18 |
doi: 10.1039/C3NR06104C |
| 19 |
doi: 10.1002/adma.201904249 |
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doi: 10.1016/S1872-2067(19)63469-8 |
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doi: 10.1021/acsami.9b13580 |
| 22 |
doi: 10.1021/acsami.9b07100 |
| 23 |
doi: 10.1039/C7TA04893 |
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doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.06.119 |
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doi: 10.1016/j.nanoen.2018.03.012 |
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doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104409 |
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doi: 10.1039/C7EE03245E |
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doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119509 |
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doi: 10.1002/adfm.201910482 |
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doi: 10.1021/acsami.6b04189 |
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doi: 10.1002/adma.201802011 |
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doi: 10.1039/C6NR00709K |
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doi: 10.1016/j.nanoen.2018.06.023 |
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沈荣晨; 郝磊; 陈晴; 郑巧清; 张鹏; 李鑫; 物理化学学报, 2022, 38 (7), 2110014.
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doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.032 |
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doi: 10.1016/j.apsusc.2020.147786 |
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doi: 10.1016/j.colsurfa.2023.131089 |
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doi: 10.1002/smll.202101315 |
| 44 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2018.09.025 |
| 45 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2017.09.043 |
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doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118744 |
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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 |
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doi: 10.1016/j.apcatb.2018.08.074 |
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doi: 10.1002/adfm.201805828 |
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