合肥光源用户在实现高效光催化产氢研究中获得新进展
时间 : 2023-02-20     
通过光催化水分解法进行太阳能制氢(H2)是一种利用阳光产生绿色H2燃料的有前途、廉价且环境友好的技术。然而,目前开发的光催化剂效率低、稳定性差、价格高,严重制约了其大规模应用。因此,开发高活性、稳定且廉价的光催化剂对于实现工业规模的太阳能制氢具有重要意义。由于独特的物理化学性质,2D过渡金属磷硫属化合物(MPCx)(M=CrMnFe等;C=SSeTe)在催化、光电等领域引起了广泛的关注。其具有以下特点:1)超薄的厚度有利于光生电子/空穴的解离,并传输到表面;2)比表面积大,有利于与其他材料形成强界面电子耦合;3)丰富的表面活性位点促进了表面的氧化还原催化反应;4)厚度依赖的带隙宽度有利于调整电子能带结构,以平衡电子/空穴的光吸收和氧化还原性能。然而,目前尚未报道将MPCx用作通用平台以极大地提高各种半导体光催化剂的光催化产氢性能。

基于此,澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授等人报道了一种新的液体剥离方法制备NiPS3超薄纳米片。作为一种多功能平台,NiPS3超薄纳米片可以极大地改善各种光催化剂(TiO2CdSIn2ZnS4C3N4)的光驱动制取氢气性能。与单独的CdS相比,NiPS3/CdS异质结的光催化产氢速率最大,为13600 μmol·h-1·g-1,最高的增强因子约为1667%。结合光谱表征和理论计算,进一步证实了光催化产生氢气的增加源于促进界面电荷分离/迁移的紧密电子耦合和丰富的原子级P/S边缘位点以及NiPS3的活化S基位点。

在研究过程中,该团队借助合肥光源软X射线磁性圆二色光束线站(BL12B-a)的同步辐射软X射线吸收谱表征研究了CdS纳米颗粒(CdS NPs)与不同量NiPS3超薄纳米片(NiPS3 UNSs)耦合后的催化剂(记为0.0N20.0N30.0N)的电子结构。图a展示了XANES S L-edge谱图,相比未加入NiPS3 UNSs0.0N20.0N30.0NS L-edge图谱并未表现出明显的变化,这与S 2p XPS的测试结果一致(图b)。这可能是由于以下两个原因:1)在20.0N30.0N中,CdS NPs的含量远远大于NiPS3 UNSs。电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)测试显示了NiPS3 UNSs的含量为3.603 wt%,进一步证实了这一点;2)在20.0N30.0N中,CdS NPs倾向于聚集而不是附着NiPS3 UNSs。而在Ni 2p XPS谱图中(图c),与CdS耦合后的Ni 2p3/2的峰位置明显向低能方向移动,这表明CdSNiPS3耦合后界面电子从CdSNiPS3的传递。最终结合其他表征和理论计算提出了NiPS3/CdS异质结的光催化机理(图d)。这一研究成果将提高我们对设计高效光催化产氢催化剂的认识,相关成果以“NiP3 ultrathin nanosheets as versatile platform advancing highly active photocatalytic H2 production”为题,发表在国际著名学术期刊《Nature Communications》上。


. (a) 0.0N20.0N30.0NXANES S L-edge 谱图;(b) 0.0N20.0N30.0NXPS S 2p谱图;(c) 0.0N20.0N30.0NXPS Ni 2p谱图;(d) NiPS3/CdS体系光催化产氢机理示意图。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-32256-6