用于高效制氢的双S型ZnS/ZnO/CdS异质结构光催化剂

doi:10.3866/PKU.WHXB202406020

摘要/Abstract

摘要：

这项工作展示了一种新型具有高效光催化活性的双S型ZnS/ZnO/CdS三元异质结光催化剂。具有最佳CdS组成的ZnS/ZnO/CdS三元催化剂，ZnS/ZnO/CdS-14%显示最大H2析出速率为4.1 mmol·g^‒1·h^‒1。最大光催化性能分别约是相应的ZnS/CdS和ZnO/ZnS的2倍和13倍。在420 nm下，获得了19.8%的量子效率。此外，连续6次测试后，催化剂的结构和产氢活性只有微小的变化，表明了光催化剂的稳定性。根据理论计算和实验结果，三元光催化活性的显著提高归因于快速的电子转移和分离，以及相互作用的双S型半导体界面之间的紧密接触。这项工作强调了一种构建双S型光催化系统的新方法，该分解水产氢系统对光生载流子具有高效分离和快速迁移能力。

关键词: 双S型光催化剂, 内部电场, 析氢, 三元异质结

Abstract:

This work illustrates the novelty of double S-scheme ZnS/ZnO/CdS ternary heterojunction photocatalyst with efficient photocatalytic activity. The sample with optimal CdS content, ZnS/ZnO/CdS-14% (ZZC14%), displayed the maximum H₂ evolution rate of 4.1 mmol·g^‒1·h^‒1. The maximum photocatalytic performance was approximately 2 and 13 times higher than their corresponding counterparts, ZnS/CdS and ZnO/ZnS, respectively. A high AQE of 19.8% under 420 nm was obtained. Additionally, the slight changes in H₂ evolution activities and retentions of crystal structures after six successive cycles indicate the stability of the photocatalyst. In accordance with the theoretical calculations and experimental results, the remarkable enhancement in photocatalytic activity is attributed to fast electron transfer and separation as well as the intimate contact due to mutual interaction between S-scheme. This work highlights an innovative approach to constructing a dual S-scheme photocatalytic system with high separation and fast migration capabilities of photogenerated charge carriers for splitting water to produce hydrogen.

Key words: Double S-scheme photocatalyst, Internal electric field, Hydrogen evolution, Ternary heterojunction

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. doi: 10.3866/PKU.WHXB202406020

Asif Hassan Raza, Shumail Farhan, Zhixian Yu, Yan Wu. Double S-Scheme ZnS/ZnO/CdS Heterostructure Photocatalyst for Efficient Hydrogen Production[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40(11), 2406020. doi: 10.3866/PKU.WHXB202406020

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202406020

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参考文献 73

1	Bie C. ; Wang L. ; Yu J Chem. 2022, 8 (6), 1567. doi: 10.1016/j.chempr.2022.04.013
2	Sun T. ; Li C. ; Bao Y. ; Fan J. ; Liu E Acta Phys.-Chim.Sin. 2023, 39 (6), 2212009. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212009
3	Fujishima A. ; Honda K Nature 1972, 238 (5358), 37. doi: 10.1038/238037a0
4	Lu C. ; Du S. ; Zhao Y. ; Wang Q. ; Ren K. ; Li C. ; Dou W RSC Adv. 2021, 11 (45), 28211. doi: 10.1039/DIRA04823F
5	Xiao Y. ; Li M. ; Li H. ; Wang Z. ; Wang Y Nano Energy 2024, 120 (1), 109164. doi: 10.1016/j.nanoen.2023.109164
6	Jiang J. ; Wang G. ; Shao Y. ; Wang J. ; Zhou S. ; Su Y Chin. J. Catal. 2022, 43 (2), 329. doi: 10.1016/S1872-2067(21)63889
7	Liang S. ; Wang Z. ; Zhou L. ; You S. ; Zhang R. ; Liu F. ; Niu P. ; Wang X ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16 (14), 17442. doi: 10.1021/acsami.3c8575
8	Li J. Y. ; Tan C. L. ; Qi M. Y. ; Tang Z. R. ; Xu Y. J Angew. Chem. Int. Edit. 2023, 62 (22), e202303054. doi: 10.1002/anie.202303054
9	Zhao N. ; Peng J. ; Wang J. ; Zhai M Acta Phys.-Chim.Sin. 2022, 38 (4), 2004046. doi: 10.3866/PKU.WHXB202004046
10	Xiang X. ; Zhang L. ; Luo C. ; Zhang J. ; Cheng B. ; Liang G. ; Zhang Z. ; Yu J Appl. Catal. B-Environ. 2024, 340, 123196. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.123196
11	Ren Y. ; Li Y. ; Pan G. ; Wang N. ; Xing Y. ; Zhang Z J. Mater. Sci. Technol. 2023, 171, 162. doi: 10.1016/j.jmst.2023.06.052
12	Tang W. ; Luo L. ; Fan Z. ; Zhang A. ; Ma Y. ; Xie Y. ; Zhao J Mater. Today Chem. 2024, 37, 102000. doi: 10.1016/j.mtchem.2024.102000
13	Cheng Y. ; Kang J. ; Yan P. ; Shen J. ; Chen Z. ; Zhu X. ; Tan Q. ; Shen L. ; Wang S. ; Wang S Appl. Catal. B-Environ. 2024, 341, 123325. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.123325
14	Shin H. ; Kim S. ; Lee J. ; Jeong H. ; Joo S. W. ; Lee C.-T. ; Park S.-M. ; Kang M. Mater. Today Adv. 2024, 21, 100469. doi: 10.1016/j.mtadv.2024.100469
15	Yusuff A. S. ; Popoola L. T. ; Gbadamosi A. O. ; Igbafe A. I Mater. Today Commun. 2024, 38, 107999. doi: 10.1016/j.mtcomm.2023.107999
16	Shundo Y. ; Nguyen T. T. ; Akrami S. ; Edalati P. ; Itagoe Y. ; Ishihara T. ; Arita M. ; Guo Q. ; Fuji M. ; Edalati K J. Colloid Interface Sci. 2024, 666, 22. doi: 10.1016/j.jcis.2024.04.010
17	Revathi M. ; Saravanan S Inorg. Chem. Commun. 2021, 134, 109056. doi: 10.1016/j.inoche.2021.109056
18	Wang J. ; Pan R. ; Yuan Z. ; Hao Q. ; Niu X. ; Wang R. ; Ye J. ; Yang H. Y. ; Wu Y Chem. Eng. J. 2024, 481, 148296. doi: 10.1016/j.cej.2023.148296
19	Ali R. ; Qureshi W. ; Yaseen M. ; Jiang H. ; Wang L. ; Yang J. ; Liu Q Mater. Today Sustain. 2023, 22, 100337. doi: 10.1016/j.mtsust.2023.100337
20	Lin Q. ; Liang S. ; Wang J. ; Zhang R. ; Liu G. ; Wang X ACS Sustain. Chem. Eng. 2023, 11 (7), 3093. doi: 10.1021/acssuschemeng.2c07255
21	Jia Y. ; Wang Z. ; Qiao X.-Q. ; Huang L. ; Gan S. ; Hou D. ; Zhao J. ; Sun C. ; Li D.-S. Chem. Eng. J. 2021, 424, 130368. doi: 10.1016/j.cej.2021.130368
22	Zhu Q. ; Xu Q. ; Du M. ; Zeng X. ; Zhong G. ; Qiu B. ; Zhang J Adv. Mater 2022, 34 (45), 2202929. doi: 10.1001/adma.202202929
23	Dong J. ; Fang W. ; Yuan H. ; Xia W. ; Zeng X. ; Shangguan W ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5 (4), 4893. doi: 10.1021/acsaem.2c00301
24	Wu P. ; Liu H. ; Xie Z. ; Xie L. ; Liu G. ; Xu Y. ; Chen J. ; Lu C.-Z. ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16 (13), 16601. doi: 10.1021/acsami.3c15957
25	Bao L. ; Ali S. ; Dai C. ; Zeng Q. ; Zeng C. ; Jia Y. ; Liu X. ; Wang P. ; Ren X. ; Yang T ACS Nano 2024, 18 (7), 5878. doi: 10.1021/acsnano.3c12773
26	Xue S. ; Tang H. ; Shen M. ; Liang X. ; Li X. ; Xing W. ; Yang C. ; Yu Z Adv. Mater 2024, 36 (16), 2311937. doi: 10.1002/adma.202311937
27	Piña-Pérez Y. ; Samaniego-Benítez E. ; Sierra-Uribe J. H. ; González F. ; Tzompantzi F. ; Lartundo-Rojas L. ; Mantilla Á. J. Environ. Chem. Eng. 2023, 11 (3), 109760. doi: 10.1016/j.jece.2023.109760
28	Sun H. ; Xiao Z. ; Zhao Z. ; Zhai S. ; An Q Appl. Surf. Sci. 2023, 611 (Part A), 155631. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.155631
29	Li, Q.; Yang, S.; Huang, Y.; Liang, Y.; Hu, C.; Wang, M.; Liu, Z.; Tai, Y.; Liu, J.; Li, Y. J. Mater. Sci. Technol. 2024, in press. doi: 10.1016/j.jmst.2024.01.104
30	Yan J. ; Wei L Acta Phys.-Chim.Sin. 2024, 40 (10), 2312024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202312024
31	Deng X. ; Zhang J. ; Qi K. ; Liang G. ; Xu F. ; Yu J Nat. Commun. 2024, 15 (1), 4807. doi: 10.1038/s41467-024-49004-7
32	Xu F. ; Meng K. ; Cheng B. ; Wang S. ; Xu J. ; Yu J Nat. Commun 2020, 11 (1), 4613. doi: 10.1038/s41467-020-18350-7
33	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
34	Zhu B. ; Sun J. ; Zhao Y. ; Zhang L. ; Yu J Adv. Mater 2024, 36 (8), 2310600. doi: 10.1002/adma.202310600
35	Yu W. ; Bie C Acta Phys.-Chim.Sin. 2023, 40 (4), 2307022. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307022
36	Li Z. ; Liu W. ; Chen C. ; Ma T. ; Zhang J. ; Wang Z Acta Phys.-Chim.Sin. 2023, 39 (6), 2208030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202208030
37	Zhu J. ; Wageh S. ; Al-Ghamdi A. A Chin. J. Catal. 2023, 49 (6), 5. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64438-9
38	Li T. ; Tsubaki N. ; Jin Z J. Mater. Sci. Technol 2024, 169, 82. doi: 10.1016/j.jmst.2023.04.049
39	Wu X. ; Chen G. ; Wang J. ; Li J. ; Wang G Acta Phys.-Chim.Sin. 2023, 39 (6), 2212016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212016
40	Wang T. ; Jin Z J. Mater. Sci. Technol 2023, 155, 132. doi: 10.1016/j.jmst.2023.03.002
41	Li Y. ; Shu S. ; Huang L. ; Liu J. ; Liu J. ; Yao J. ; Liu S. ; Zhu M. ; Huang L J. Colloid Interf. Sci 2023, 633, 60. doi: 10.1016/j.jcis.2022.11.058
42	Chen Z. ; Ma T. ; Li Z. ; Zhu W. ; Li L J. Mater. Sci. Technol. 2024, 179, 198. doi: 10.1016/j.jmst.2023.07.029
43	Xiao L. ; Ren W. ; Shen S. ; Chen M. ; Liao R. ; Zhou Y Acta Phys.-Chim.Sin. 2024, 40 (8), 2308036. doi: 10.3866/PKU.WHXB202308036
44	Hong S. H. ; Kim Y. K. ; Hwang S.-H. ; Seo H.-J. ; Lim S. K Int. J. Hydrogen Energ. 2024, 57, 717. doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.01.087
45	Nowosielska A. M. ; Nikoloski A. N. ; Parsons D. F Miner. Eng. 2023, 202, 108236. doi: 10.1016/j.mineng.2023.108236
46	Wu F. ; Zhang X. ; Wang L. ; Li G. ; Huang J. ; Song A. ; Meng A. ; Li Z Small 2024, 2309439 doi: 10.1002/small.202309439
47	Jiang Z. ; Cheng B. ; Zhang L. ; Zhang Z. ; Bie C. A Chin. J. Catal. 2023, 52, 32. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64502-4
48	Liu B. ; Cai J. ; Zhang J. ; Tan H. ; Cheng B. ; Xu J Chin. J. Catal. 2023, 51, 204. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64466-3
49	Bi L. ; Liu J. ; Du M. ; Huang B. ; Song M. ; Jiang G Chem. Eng. J. 2023, 454, 140258. doi: 10.1016/j.cej.2022.140258
50	Jiang J. ; Ye K. ; Zhang W. ; Ren H. ; Chen H. ; Hu Y. ; Wang F. ; Hou J. ; Diao G. ; Chen M J. Mater. Sci 2022, 57 (47), 21667. doi: 10.1007/s10853-022-07980-5
51	Wen B. ; Guo X. ; Liu Y. ; Jin Z ACS Appl. Nano Mater. 2024, 7 (6), 6056. doi: 10.1021/acsanm.3c05962
52	Sun H. ; Qin P. ; Guo J. ; Jiang Y. ; Liang Y. ; Gong X. ; Ma X. ; Wu Q. ; Zhang J. ; Luo L Chem. Eng. J. 2023, 470, 144217. doi: 10.1016/j.cej.2023.144217
53	Cheng C. ; Zhang J. ; Zhu B. ; Liang G. ; Zhang L. ; Yu J Angew. Chem. Int. Edit. 2023, 62 (8), e202218688. doi: 10.1002/anie.202218688
54	Li L. ; Shi H. ; Yu H. ; Tan X. ; Wang Y. ; Ge S. ; Wang A. ; Cui K. ; Zhang L. ; Yu J Appl. Catal. B-Environ. 2021, 292, 120184. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120184
55	Jiang L. ; Liu S. ; Zhang D. ; Deng M. ; Xia Z. ; Fu Y. ; Lü C Mater. Today Chem. 2024, 35, 101875. doi: 10.1016/j.mtchem.2023.101875
56	Liu S. ; Wang W. ; Shi S. ; Liao S. ; Zhong M. ; Xiao W. ; Wang S. ; Wang X. ; Chen C Appl. Surf. Sci. 2024, 657, 159795. doi: 10.1016/j.apsusc.2024.159795
57	Yang X. ; Yang H. ; Zhang T. ; Lou Y. ; Chen J Catal. Sci. Technol. 2021, 11 (17), 5849. doi: 10.1039/D1CY00951F
58	Wang X. ; Liu B. ; Ma S. ; Zhang Y. ; Wang L. ; Zhu G. ; Huang W. ; Wang S Nat. Commun. 2024, 15 (1), 2600. doi: 10.1038/s41467-024-47022-z
59	Farhan S. ; Raza A. H. ; Yang S. ; Yu Z. ; Wu Y J. Colloid Interface Sci. 2024, 669, 430. doi: 10.1016/j.jcis.2024.04.189
60	Wang K. ; Yang Y. ; Farhan S. ; Wu Y. ; Lin W.-F. Chem. Eng. J. 2024, 490, 151408. doi: 10.1016/j.cej.2024.151408
61	Jakob D. S. ; Wang H. ; Xu X. G ACS Nano 2020, 14 (4), 4839. doi: 10.1021/acsnano.0c00767
62	Zhou J. ; Zhang J. ; Deng Y. ; Zhao H. ; Zhang P. ; Fu S. ; Xu X. ; Li H Nano Energy 2022, 99, 107411. doi: 10.1016/j.nanoen.2022.107411
63	Bie C. ; Meng Z. ; He B. ; Cheng B. ; Liu G. ; Zhu B J. Mater. Sci. Technol 2024, 173, 11. doi: 10.1016/j.jmst.2023.07.019
64	Yang S. ; Wang K. ; Wu Z. ; Wu Y J. Mater. Sci. Technol. 2024, 200, 253. doi: 10.1016/j.jmst.2024.02.055
65	Chen Y. ; Ma M. ; Hu J. ; Chen Z. ; Jiang P. ; Amirav L. ; Yang S. ; Xing Z Appl. Catal. B-Environ 2023, 324, 122300. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.122300
66	Sun Y. ; Shen S. ; Deng W. ; Tian G. ; Xiong D. ; Zhang H. ; Yang T. ; Wang S. ; Chen J. ; Yang W Nano Energy 2023, 105, 108024. doi: 10.1016/j.nanoen.2022.108024
67	Wang N. ; Pu M. ; Ma Z. ; Feng Y. ; Guo Y. ; Guo W. ; Zheng Y. ; Zhang L. ; Wang Z. ; Feng M Nano Energy 2021, 90, 106646. doi: 10.1016/j.nanoen.2021.106646
68	Zhang W. ; Xu Q. ; Tang X. ; Jiang H. ; Shi J. ; Fominski V. ; Bai Y. ; Chen P. ; Zou J J. Colloid Interface Sci. 2023, 649, 325. doi: 10.1016/j.jcis.2023.06.080
69	Patel M. ; Song J. ; Kim D.-W. ; Kim J Appl. Mater. Today 2022, 26, 101344. doi: 10.1016/j.apmt.2021.101344
70	Vishwakarma M. ; Kumar M. ; Hendrickx M. ; Hadermann J. ; Singh A. P. ; Batra Y Adv. Mater. Interfaces 2021, 8 (10), 2002124. doi: 10.1002/admi.202002124
71	Chen X. ; Guo R.-T. ; Pan W.-G. ; Yuan Y. ; Hu X. ; Bi Z.-x. ; Wang J. Appl. Catal. B-Environ. 2022, 318, 121839. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121839
72	Ruan X. ; Meng D. ; Huang C. ; Xu M. ; Jiao D. ; Cheng H. ; Cui Y. ; Li Z. ; Ba K. ; Xie T Adv. Mater 2024, 36 (9), 2309199. doi: 10.1002/adma.202309199
73	Ruan X. ; Huang C. ; Cheng H. ; Zhang Z. ; Cui Y. ; Li Z. ; Xie T. ; Ba K. ; Zhang H. ; Zhang L. Adv. Mater 2023, 35 (6), 2209141. doi: 10.1002/adma.202209141

[1]	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Zn_xCd_1−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 - .
[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]	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 - .
[4]	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Cd_0.5Zn_0.5S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 - .
[5]	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 - .
[6]	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 - .
[7]	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 - .
[8]	孙巍, 王永靖, 项坤, 白赛帅, 王海涛, 邹菁, Arramel, 江吉周. CoP修饰Ti₃C₂T_x 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 - .
[9]	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 - .
[10]	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 - .
[11]	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 - .
[12]	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 - .
[13]	杨文秀, 张金锋, 徐全龙, 杨云, 张礼杰. AuCu双金属合金修饰共价有机框架用于高效光催化析氢[J]. 物理化学学报, 2024, 40(10): 2312014 - .
[14]	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 - .
[15]	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 - .