组成可调的ZnS1-xSex纳米带固溶体的构筑与高效太阳燃料制备

李盼 Sajjad Hussain 李璐 郭令举 贺涛

引用本文: 李盼,  Sajjad Hussain,  李璐,  郭令举,  贺涛. 组成可调的ZnS1-xSex纳米带固溶体的构筑与高效太阳燃料制备[J]. 催化学报, 2020, 41(10): 1663-1673. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63537-9 shu
Citation:  Pan Li,  Sajjad Hussain,  Lu Li,  Lingju Guo,  Tao He. Composition-tunable ZnS1-xSex nanobelt solid solutions for efficient solar-fuel production[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(10): 1663-1673. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63537-9 shu

组成可调的ZnS1-xSex纳米带固溶体的构筑与高效太阳燃料制备

  • 基金项目:

    中国科学院国际伙伴计划(一带一路)项目;国家自然科学基金(21972029).

摘要: 在光能作用下,利用半导体催化剂将CO2和H2O转化为太阳燃料(H2和CO),有望同时减少碳排放和获取高附加值的替代能源与化工产品,因而成为研究热点之一.半导体光催化剂具有较宽的光谱响应范围和合适的导价带位置(即光生电子/空穴应具有适宜的还原/氧化能力),这是其作为高效催化剂的前提条件之一.但是,当调控半导体的禁带宽带以使其有利于捕获太阳能时,通常也会同时改变其导价带位置,从而影响光生电子/空穴的还原/氧化能力,降低反应驱动力,进而可能导致光催化活性降低.根据能带工程理论,构筑固溶体是一种有效地改变该窘境的方法.它主要是通过调控固溶体组成,进而调控其能带结构,即不仅能够调控半导体材料的光谱响应范围(调控禁带宽带),还能调控半导体的导价带位置(调控光生电子/空穴的还原/氧化能力),从而实现反应光捕获与驱动力之间的最佳平衡,达到提高半导体催化剂光催化性能的目的.
ZnS具有较好的光催化性能,但其禁带宽度较高,不利于对可见光的吸收.考虑到ZnS和ZnSe都具有六方纤锌矿结构,且S和Se的电负性和二价负离子半径相近,因此,本文以ZnS1-xSex(en)0.5为前驱体,通过简便易行的热处理法,成功制备了具有不同组成的ZnS1-xSex纳米带固溶体.结果发现,通过改变反应物中的Se/S摩尔比可调控所得固溶体的组成,进而调控其能级排列(禁带宽度与导价带位置等),第一性原理计算进一步证实了该实验结果.当Se/S的摩尔比从0增加到1时,所得固溶体的禁带宽度在3.69~2.68eV之间连续可调;同时,导带底不断向下移动,而价带顶持续向上移动,即光生电子/空穴的还原/氧化能力不断降低.利用所得样品进行光催化还原制备太阳燃料实验,发现ZnS0.75Se0.25表现出最高的光催化活性.这主要是因为在该固溶体中实现了光捕获(禁带宽带)与反应驱动力(光生电子/空穴的还原/氧化能力)的最佳平衡.因此,本文有助于更好地设计与制备基于固溶体的高效光催化剂,从而为将来的实际应用奠定理论与实验基础.

English

    1. [1] J. J. Wu, X. D. Zhou, Chin. J. Catal., 2016, 37, 999-1015.

    2. [2] W. Tu, Y. Zhou, Z. Zou, Adv. Mater., 2014, 26, 4607-4626.

    3. [3] X. Li, J. G. Yu, M. Jaroniec, X. B. Chen, Chem. Rev., 2019, 119, 3962-4179.

    4. [4] Y. J. Ma, Z. M. Wang, X. F. Xu, J. Y. Wang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1956-1969.

    5. [5] N. Nie, L. Y. Zhang, J. W. Fu, B. Cheng, J. G. Yu, Appl. Surf. Sci., 2018, 441, 12-22.

    6. [6] N. Nie, F. He, L. Y. Zhang, B. Cheng, Appl. Surf. Sci., 2018, 457, 1096-1102.

    7. [7] Y. J. Ren, D. Q. Zeng, W. J. Ong, Chin. J. Catal., 2019, 40, 289-319.

    8. [8] S. Tostón, R. Camarillo, F. Martínez, C. Jiménez, J. Rincón, Chin. J. Catal., 2017, 38, 636-650.

    9. [9] H. L. Li, Y. Gao, Z. Xiong, C. Liao, K. Shih, Appl. Surf. Sci., 2018, 439, 552-559.

    10. [10] H. Du, Y. N. Liu, C. C. Shen, A. W. Xu, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1295-1306.

    11. [11] H. Wang, L. Zhang, Z. Chen, J. Hu, S. Li, Z. Wang, J. Liu, X. Wang, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 5234-5244.

    12. [12] X. Chen, S. Shen, L. Guo, S. S. Mao, Chem. Rev., 2010, 110, 6503-6570.

    13. [13] X. Zhang, C. Y. Wang, L. W. Wang, G. X. Huang, W. K. Wang, H. Q. Yu, Sci. Rep., 2016, 6, 22800.

    14. [14] X. Tao, Y. Zhao, L. Mu, S. Wang, R. Li, C. Li, Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1701392.

    15. [15] D. Zhang, G. Li, H. Li, Y. Lu, Chem. Asian J., 2013, 8, 26-40.

    16. [16] Z. Fang, S. Weng, X. Ye, W. Feng, Z. Zheng, M. Lu, S. Lin, X. Fu, P. Liu, ACS Appl. Mater. Interface, 2015, 7, 13915-13924.

    17. [17] X. Hao, Y. Wang, J. Zhou, Z. Cui, Y. Wang, Z. Zou, Appl. Catal. B, 2018, 221, 302-311.

    18. [18] J. Zhang, J. Yu, Y. Zhang, Q. Li, J. R. Gong, Nano Lett., 2011, 11, 4774-4779.

    19. [19] J. Zhang, Y. Wang, J. Zhang, Z. Lin, F. Huang, J. Yu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 1031-1037.

    20. [20] Y. Yu, G. Chen, Q. Wang, Y. Li, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 3652-3660.

    21. [21] J. Zhang, S. Liu, J. Yu, M. Jaroniec, J. Mater. Chem., 2011, 21, 14655-14662.

    22. [22] I. Tsuji, A. Kudo, J. Photochem. Photobiol. A, 2003, 156, 249-252.

    23. [23] A. Kudo, M. Sekizawa, Chem. Commun., 2000, 1371-1372.

    24. [24] K. Li, R. Chen, S. L. Li, S. L. Xie, X. L. Cao, L. Z. Dong, J. C. Bao, Y. Q. Lan, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 4516-4522.

    25. [25] Y. Y. Hsu, N. T. Suen, C. C. Chang, S. F. Hung, C. L. Chen, T. S. Chan, C. L. Dong, C. C. Chan, S. Y. Chen, H. M. Chen, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 22558-22569.

    26. [26] Y. Jin, H. Zhang, C. Song, L. Wang, Q. Lu, F. Gao, Sci. Rep., 2016, 6, 29997.

    27. [27] Q. Li, H. Meng, P. Zhou, Y. Zheng, J. Wang, J. Yu, J. Gong, ACS Catal., 2013, 3, 882-889.

    28. [28] Z. Mei, M. Zhang, J. Schneider, W. Wang, N. Zhang, Y. Su, B. Chen, S. Wang, A.L. Rogach, F. Pan, Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 982-987.

    29. [29] I. Tsuji, H. Kato, H. Kobayashi, A. Kudo, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 13406-13413.

    30. [30] I. Tsuji, H. Kato, H. Kobayashi, A. Kudo, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 7323-7329.

    31. [31] I. Tsuji, H. Kato, A. Kudo, Chem. Mater., 2006, 18, 1969-1975.

    32. [32] A. Kudo, I. Tsuji, H. Kato, Chem. Commun., 2002, 1958-1959.

    33. [33] Y. J. Yuan, D. Q. Chen, M. Xiong, J.S. Zhong, Z. Y. Wan, Y. Zhou, S. Liu, Z. T. Yu, L. X. Yang, Z. G. Zou, Appl. Catal. B, 2017, 204, 58-66.

    34. [34] X. Xu, R. Lu, X. Zhao, S. Xu, X. Lei, F. Zhang, D. G. Evans, Appl. Catal. B, 2011, 102, 147-156.

    35. [35] S. Nandy, Y. Goto, T. Hisatomi, Y. Moriya, T. Minegishi, M. Katayama, K. Domen, ChemPhotoChem., 2017, 1, 265-272.

    36. [36] T. Jing, Y. Dai, X. Ma, W. Wei, B. Huang, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 27900-27908.

    37. [37] K. Park, J. A. Lee, H. S. Im, C. S. Jung, H. S. Kim, J. Park, C. L. Lee, Nano Lett., 2014, 14, 5912-5919.

    38. [38] B. Liu, Y. Bando, L. Liu, J. Zhao, M. Masanori, X. Jiang, D. Golberg, Nano Lett., 2013, 13, 85-90.

    39. [39] Q. Fu, L. Yang, W. Wang, A. Han, J. Huang, P. Du, Z. Fan, J. Zhang, B. Xiang, Adv. Mater., 2015, 27, 4732-4738.

    40. [40] Z. X. Deng, C. Wang, X. M. Sun, Y. D. Li, Inorg. Chem., 2002, 41, 869-873.

    41. [41] J. Sun, Y. Chen, Z. N. Xu, Q. S. Chen, G. E. Wang, M. J. Zhang, G. Lu, K. C. Wu, G. C. Guo, CrystEngComm, 2014, 16, 6823-6826.

    42. [42] Z. X. Deng, C. Wang, X. M. Sun, Y. D. Li, Inorg. Chem., 2002, 41, 869-873.

    43. [43] A. K. Kole, C. S. Tiwary, P. Kumbhakar, CrystEngComm, 2013, 15, 5515-5525.

    44. [44] L. Nasi, D. Calestani, T. Besagni, P. Ferro, F. Fabbri, F. Licci, R. Mosca, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 6960-6965.

    45. [45] S. H. Yu, M. Yoshimura, Adv. Mater., 2002, 14, 296-300.

    46. [46] P. Blaha, K. Schwarz, H. K. G. Madsen, D. Kvasnicka, J. Luitz, An Augmented Plane Wave Plus Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties, Vienna University of Technology, Austria, 2012.

    47. [47] E. Engel, H. S. Vosko, Phys. Rev. B, 1994, 47, 13164-13174.

    48. [48] A. D Becke, E. R Johnson, J. Chem. Phys., 2006, 124, 221101.

    49. [49] J. Lu, Y. Dai, M. Guo, W. Wei, Y. Ma, S. Han, B. Huang, ChemPhysChem., 2012, 13, 147-154.

    50. [50] J. Liu, Z. Guo, F. Meng, T. Luo, M. Li, J. Liu, Nanotechnology, 2009, 20, 125501/1-125501/8.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  617
  • HTML全文浏览量:  35
文章相关
  • 收稿日期:  2020-02-24
  • 修回日期:  2020-03-28
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章