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Air-condition Process for Scalable Fabrication of CdS/ZnS 1D/2D Heterojunctions toward Efficient and Stable Photocatalytic Hydrogen Production Dongdong Zhang1,2, Jie Teng1,*, Hongli Yang2, Zhi Fang2, Kai Song2, Lin Wang2, Huilin Hou2, Xianlu Lu1,2, Chris R. Bowen4, and Weiyou Yang* Carbon Energy DOI: 10.1002/cey2.277 研究背景 光催化产氢是被认为是制备清洁能源氢的一种有效手段,其关键基础和核心挑战是高效稳定光催化剂的研发。目前,提高光催化剂性能的主要策略包括:i)构建低维单晶光催化剂,促进光生载流子快速转移;ii)提高光催化剂比表面积,增加光催化活性位点;iii)构建同/异质结,实现能带结构调控,强化光吸收能力及其电荷分离效率。在不同异质结中,Z型异质结不仅能促进光生载流子分离,而且能保持氧化还原能力,能显著提升光催化剂的综合特性。 在半导体家族中,因其合适可见光吸收带隙(2.4 eV)和理想的导带位置,硫化镉(CdS)是一种颇具发展潜力的光催化剂。目前已有报道的制备CdS纳米结构的技术主要有水热法、溶剂热、模板法和化学沉积等方法。值得注意的是,已有的大多数报道工作中合成CdS,一般需要高温和高压过程、以及有机/有毒试剂的辅助,其工艺较为复杂耗时,难于实现其宏量制备。此外,CdS在面向光催化产氢应用时,面临光生载流子的快速复合以及本征光空穴腐蚀等普遍问题。因此,如何实现CdS纳米结构的快速宏量制备并抑制其析氢光腐蚀,成为CdS光催化剂迈向应用的挑战。 成果介绍 湖南大学滕杰教授和宁波工程学院杨为佑教授团队,基于声化学策略,报道了公斤级CdS纳米片(CdS NSs)/ZnS纳米颗粒(ZnS NPs)1D/2D异质结(CdS-NSs/ZnS-NPs)在室温常压下的宏量制备。通过合理设计CdS和ZnS的比例,所构建的CdS-NSs/ZnS-NPs-0.6光催化剂在可见光(λ>400nm)照射下,表现出明显增强的光催化产氢效率,达14.02 mmol h-1 g-1,分别是CdS NSs和CdS NPs的~10和~85倍,拥有58 h的高稳定光催化特性,展现出良好的抗析氢光腐蚀能力,在高效稳定的可见光光催化剂中具备潜在应用前景。最后结合第一原理模拟计算,提出了CdS-NSs/ZnS-NPs的II型和Z型混合1D/2D异质结增强光催化活性的机制。本工作为纳米结构的常温常压宏量制备技术及其先进光催化剂研发,提供一定的的策略参考。该成果以“Air-condition Process for Scalable Fabrication of CdS/ZnS 1D/2D Heterojunctions toward Efficient and Stable Photocatalytic Hydrogen Production”为题发表在Carbon Energy 上,论文第一作者是湖南大学张冬冬博士,为宁波工程学院联培研究生,湖南大学滕杰教授和宁波工程学院杨为佑教授为共同通讯作者。 研究亮点 1. 基于声化学策略,室温常压下实现了千克级晶态CdS-NSs/ZnS-NPs 1D/2D异质结宏量制备。 2. CdS-NSs/ZnS-NPs异质结在可见光照射下表现出显著增强的光催化产氢效率,达14.02 mmol h-1 g-1,分别是CdS NSs和CdS NPs的10倍和85倍,且具有稳定的光催化稳定性。 3. 基于第一性原理计算,揭示了CdS-NSs/ZnS-NPs异质结高效产氢机制,主要归因于Zn空位缺陷能级所构建的II型和Z型混合异质结,有效抑制了光生载流子复合和CdS光空穴腐蚀。 图文解析 图1 CdS NSs生长细节。(A-D)固定超声处理时间为0.5、1、1.5和2小时产物SEM图像;(E) CdS NSs的生长过程示意图;(F) 纯CdS NSs的XRD;(G-H) 分别为纯CdS NSs的TEM和HRTEM图像,(H) 中的插图是相应晶格傅里叶变换图案;(I) CdS表面能的DFT计算。 图2 CdS-NSs/ZnS-NPs异质结的制备及结构表征。(A) CdS-NSs/ZnS-NPs异质结的制备示意图;(B-G) CdS-NSs/ZnS-NPs-0.6样品的SEM、XRD、TEM、HRTEM和元素Mapping图像;(H) ZnS NPs、CdS NSs和CdS-NSs/ZnS-NPs-0.6的S 2p的高分辨XPS光谱;(I-J) CdS-NSs/ZnS-NPs异质结公斤级制备的光学照片。 图3 CdS-NSs/ZnS-NPs异质结光催化产氢性能。(A) 不同样品光催化产氢效率;(B) CdS基光催化剂产氢效率对比;(C) CdS-NSs/ZnS-NPs-0.6光催剂循环稳定性;(D) CdS-NSs/ZnS-NPs-0.6光催化剂长期光催化稳定性;(E) CdS-NSs/ZnS-NPs-0.6光催化剂基于波长依赖的AQY。 图4 光催化产氢机制。(A) ZnS NPs、CdS NSs和CdS-NSs/ZnS-NPs-0.6的紫外-可见漫反射光谱;(B) 相应光学带隙的计算;(C) ZnS NPs、CdS NSs和CdS-NSs/ZnS-NPs-0.6的瞬时光电流响应;(D) ZnS NPs、CdS NSs和CdS-NSs/ZnS-NPs-0.6的EIS;(E-F) ZnS NPs和CdS NSs的Mott-Schottky图;(G) CdS和ZnS的VB XPS分析,显示ZnS中存在缺陷态;(H) II型和Z型混合CdS/ZnS异质结的光催化产H2机理图。 图5 光催化产氢的理论研究。(A) 有/无Zn空位ZnS/CdS异质结构的晶体结构,以Zn41为例(绿色、蓝色和红色虚线圈分别代表第41号Zn原子,分别标记为Zn41、远离Zn41的S和靠近Zn41的S);(B) 纯ZnS(左)和CdS(右)的能带结构;(C-D) 分别为有/无锌空位ZnS/CdS异质结构的能带结构,蓝色和黄色的虚线区域分别代表了孤立的ZnS和CdS的带结构;(E-F) 分别为有/无锌空位ZnS/CdS异质结在VBM处的部分电荷密度分布;(G-H) 靠近和远离Zn41的S原子分别对有/无Zn空位ZnS/CdS异质结的能带结构贡献;(I) 载流子在ZnS/CdS异质结内的II型和Z型混合运输机制。 相关论文信息 论文原文在线发表于Carbon Energy,点击“阅读原文”查看论文 论文标题: Air-condition Process for Scalable Fabrication of CdS/ZnS 1D/2D Heterojunctions toward Efficient and Stable Photocatalytic Hydrogen Production 论文网址: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.277 DOI:10.1002/cey2.277 往期推荐 1 2 3
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