2D/3D S-Scheme Heterojunction Interface of CeO2-Cu2O Promotes Ordered Charge Transfer for Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution

Lijun Zhang ,  Youlin Wu ,  Noritatsu Tsubaki ,  Zhiliang Jin

Citation:  Lijun Zhang, Youlin Wu, Noritatsu Tsubaki, Zhiliang Jin. 2D/3D S-Scheme Heterojunction Interface of CeO2-Cu2O Promotes Ordered Charge Transfer for Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(12): 230205. doi: 10.3866/PKU.WHXB202302051 shu

CeO2-Cu2O 2D/3D S型异质结界面促进有序电荷转移以实现高效光催化析氢

    通讯作者: TsubakiNoritatsu, tsubaki@eng.u-toyama.ac.jp
    靳治良, zl-jin@nun.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22062001

摘要: 快速的本征载流子复合严重限制了CeO2基催化材料的光催化活性。在这里,提出了一种异质结界面工程策略,合理地进行界面调节。构建了具有强电子相互作用的2D/3D S型异质结。合成了一种用于固定在2D CeO2边缘的3D Cu2O颗粒的复合光催化剂。密度泛函理论(DFT)第一性原理计算和实验结果表明,CeO2和Cu2O之间形成强耦合的S型异质结电子传输界面,实现了高效的载流子分离和传输。复合催化剂的光催化析氢活性在以三乙醇胺为牺牲剂的体系中得到大幅提高,是CeO2的48倍。此外,CeO2-Cu2O光催化剂还具有高度稳定的光催化氢活性。这为在新型纳米复合结构中构建独特界面提供了一种通用策略。

English

    1. [1]

      Nishiyama, H. S.; Yamada, T.; Nakabayashi, M.; Maehara, Y.; Yamaguchi, M.; Kuromiya, Y.; Tokudome, H.; Akiyama, S.; Watanabe, T.; Narushima, R.; et al. Nature 2021, 598, 304. doi: 10.1038/s41586-021-03907-3

    2. [2]

      Takata, T.; Jiang, J. Z.; Sakata, Y.; Nakabayashi, M.; Shibata, N.; Nandal, V.; Seki, K.; Hisatomi, T.; Domen, K. Nature 2020, 581, 411. doi: 10.1038/s41586-020-2278-9

    3. [3]

      Zhang, L. J.; Jiang, X. D.; Jin, Z. L.; Tsubaki, N. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 10715. doi: 10.1039/D2TA00839D

    4. [4]

      Cheng, C.; He, B.; Fan, J. J.; Cheng, B.; Cao, S. W.; Yu, J. G. Adv. Mater 2021, 33, 2100317. doi: 10.1002/adma.202100317

    5. [5]

      Xiao, L.; Zhang, Q.; Chen, P.; Chen, L.; Ding, F.; Tang, J.; Li, Y. J.; Au, C.; Yin, S. F. Appl. Catal. B: Environ. 2019, 248, 380. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.02.012

    6. [6]

      Li, X.; Yu, J. G.; Mietek, J.; Chen, X. B. Chem. Rev. 2019, 119, 3962. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00400

    7. [7]

      Wang, C. C.; Yan, R. Y.; Cai, M. J.; Liu, Y.P.; Li, S. J. Appl. Surf. Sci. 2023, 610, 155346. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.155346

    8. [8]

      Yang, J.; Wu, X. H.; Mei, Z. H.; Zhou, S.; Su, Y. R.; Wang, G. H. Adv. Sustain. Syst. 2022, 6, 2200056. doi: 10.1002/adsu.202200056

    9. [9]

      Zhang, L. J.; Wang, G. R.; Hao, X. Q.; Jin, Z. L.; Wang, Y. B. Chem. Eng. J. 2020, 395, 125113. doi: 10.1016/j.cej.2020.125113

    10. [10]

      Zhu, L. Y.; Ye, R. H.; Tang, P. S.; Xia, P. F. Aust. J. Chem. 2022, 75, 795. doi: 10.1071/CH22098

    11. [11]

      Li, Y. X.; He, R. C.; Han, P.; Hou, B. P.; Peng, S. Q.; Ouyang, C. Appl. Catal. B: Environ. 2020, 279, 119379. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119379

    12. [12]

      Zhang, L. J.; Jin, Z. L.; Tsubaki, N. Chem. Eng. J. 2022, 438, 135238. doi: 10.1016/j.cej.2022.135238

    13. [13]

      Sharma, D.; Satsangi, V. R.; Shrivastav, R.; Waghmare, U. V.; Dass, S. Int. J. Hydrog. Energy 2016, 41, 18339. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.08.079

    14. [14]

      Wetchakun, N.; Chaiwichain, S.; Inceesungvorn, B.; Pingmuang, K.; Phanichphant, S.; Minett, A. I.; Chen, J. ACS Appl. Mater. Interface 2012, 4, 3718. doi: 10.1021/am300812n

    15. [15]

      Pu, Y.; Luo, Y. D.; Wei, X. Q.; Sun, J. F.; Li, L. L.; Zou, W. X.; Dong, L. Appl. Catal. B: Environ. 2019, 254, 580. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.04.093

    16. [16]

      Khan, M. M.; Ansari, S. A.; Pradhan, D.; Han, D. H.; Lee, J.; Cho, M. H. Ind. Eng. Chem. Res. 2014, 53, 9754. doi: 10.1021/ie500986n

    17. [17]

      Xie, S. L.; Wang, Z. L.; Cheng, F. L.; Zhang, P.; Mai, W. J.; Tong, Y. X. Nano Energy 2017, 34, 313. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.02.029

    18. [18]

      Pang, J. J.; Li, W. T.; Cao, Z. H.; Xu, J. J.; Li, X.; Zhang, X. K. Appl. Surf. Sci. 2018, 439, 420. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.01.055

    19. [19]

      Chae, B. W.; Amna, T.; Hassan, M. S.; Deyab, S.; Khil, M. S. Adv. Powder Technol. 2017, 28, 230. doi: 10.1016/j.apt.2016.09.010

    20. [20]

      Cai, M. G.; Liu, Y. P.; Wang, C. C.; Lin, W.; Li, S. J. Sep. Purif. Technol. 2023, 304, 122401. doi: 10.1016/j.seppur.2022.122401

    21. [21]

      刘珊池, 王凯, 杨梦雪, 靳治良. 物理化学学报, 2022, 38, 2109023. doi: 10.3866/PKU.WHXB202109023Liu, S. C.; Wang, K.; Yang, M. X.; Jin, Z. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2109023. doi: 10.3866/PKU.WHXB202109023

    22. [22]

      Shen, C. H.; Chen, Y.; Xu, X. J.; Li, X. Y.; Wen, X. J.; Liu, Z. T.; Xing, R.; Guo, H.; Fei, Z. H. J. Hazard. Mater. 2021, 416, 126217. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126217

    23. [23]

      Paracchino, A.; Laporte, V.; Sivula, K.; Grätzel, M.; Thimsen, E. Nat. Mater. 2011, 10, 456. doi: 10.1038/nmat3017

    24. [24]

      Li, S. J.; Cai, M. J.; Wang, C. C.; Liu, Y. P. Adv. Fiber. Mater. 2023, doi: 10.1007/s42765-022-00253-5

    25. [25]

      Jiang, J. W.; Lim, Y. S.; Park, S.; Kim, S. H.; Yoon, S. G.; Piao, L. H. Nanoscale 2017, 9, 3873. doi: 10.1039/C6NR09934C

    26. [26]

      Xu, H. L.; Wang, W. Z.; Zhu, W. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 13829. doi: 10.1021/jp061934y

    27. [27]

      Li, Q.; Xu, P.; Zhang, B.; Tsai, H. H.; Zheng, S. J.; Wu, G.; Wang, H. L. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 13872. doi: 10.1021/jp403655y

    28. [28]

      Ahmed, A.; Gajbhiye, N. S.; Joshi, A. G. Mater. Chem. Phys. 2011, 129, 740. doi: 10.1016/j.matchemphys.2011.04.042

    29. [29]

      Gong, H. M.; Li, Y. J.; Li, H.; Y.; Jin, Z. L. Langmuir 2022, 38, 2117. doi: 10.1021/acs.langmuir.1c03198

    30. [30]

      Zhang, L. J.; Jin, Z. L. Nanoscale 2021, 13, 1340. doi: 10.1039/D0NR07821B

    31. [31]

      Li, S. J.; Wang, C. C.; Liu, Y. P.; Liu, Y. Z.; Cai, M. J.; Zhao, W.; Duan, X. G. Chem. Eng. J. 2023, 455, 140943. doi: 10.1016/j.cej.2022.140943

    32. [32]

      Wang, X. P.; Li, T.; Zhu, P. F; Jin, Z. L. Dalton Trans. 2022, 51, 2912. doi: 10.1039/D1DT03605J

    33. [33]

      Qi, Y.; Ye, J. W.; Zhang, S. Q.; Tian, Q. Z.; Xu, N.; Tian, P.; Ning, G. L. J. Alloy. Compd. 2019, 782, 780. doi: 10.1016/j.jallcom.2018.12.111

    34. [34]

      French, M.; Schwartz, R.; Stolz, H.; Redmer, R. J. Phys. Condes. Matter 2009, 21, 015502. doi: 10.1088/0953-8984/21/1/015502

    35. [35]

      韩高伟, 徐飞燕, 程蓓, 李佑稷, 余家国, 张留洋. 物理化学学报, 2022, 38, 2112037. doi: 10.3866/PKU.WHXB202112037Han, G. W.; Xu, F. Y.; Cheng, B.; Li, Y. J.; Yu, J. G.; Zhang, L. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2112037. doi: 10.3866/PKU.WHXB202112037

    36. [36]

      Wang, G. R.; Quan, Y. K.; Yang, K. C.; Jin, Z. L. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 121, 28. doi: 10.1016/j.jmst.2021.11.073

    37. [37]

      Li, S. J.; Cai, M. J.; Liu, Y. P.; Wang, C. C.; Lv, K. L.; Chen, X. B. Chin. J. Catal. 2022, 43, 2652. doi: 10.1016/S1872-2067(22)64106-8

    38. [38]

      Shi, H. L.; Pan, H.; Zhang, Y. W.; Yakobson, B. I. Phys. Rev. B 2013, 87, 155304. doi: 10.1103/PhysRevB.87.155304

    39. [39]

      Hensel, J.; Wang, G. M.; Li, Y.; Zhang, J. Z. Nano Lett. 2010, 10, 478. doi: 10.1021/nl903217w

    40. [40]

      Sayed, M.; Yu, J. G.; Liu, G.; Jaroniec, M. Chem. Rev. 2022, 122, 10484. doi: 10.1021/acs.chemrev.1c00473

    41. [41]

      Jiang, Y. F.; Yuan, C. Z.; Xie, X.; Zhou, X.; Jiang, N.; Wang, X.; Imran, M.; Xu, A.W. ACS Appl. Mater. Interface 2017, 9, 9756. doi: 10.1021/acsami.7b00293

    42. [42]

      Hu, S. C.; Zhou, F.; Wang, L. Z.; Zhang, J. L. Catal. Commun. 2011, 12, 794. doi: 10.1016/j.catcom.2011.01.027

    43. [43]

      He, C.; Yu, Y. K.; Chen, C. W.; Yue, L.; Qiao, N.; Shen, Q.; Chen, J. S.; Hao, Z. P. RSC Adv. 2013, 3, 19639. doi: 10.1039/C3RA42566E

    44. [44]

      Wang, Y. P.; Hao, X. Q.; Zhang, L. J.; Li, Y. B.; Jin, Z. L. Energy Fuel 2020, 34, 2599. doi: 10.1021/acs.energyfuels.9b04386

    45. [45]

      Chen, J.; Shen, S. H.; Guo, P. H.; Wang, M.; Wu, P.; Wang, X. X.; Guo, L. J. Appl. Catal. B: Environ. 2014, 152, 335. doi: 10.1016/j.apcatb.2014.01.047

    46. [46]

      Chen, J.; Shen, S. H.; Wua, P.; Guo, L. J. Green Chem. 2015, 17, 509. doi: 10.1039/C4GC01683A

    47. [47]

      Liu, H.; Su, P.; Jin, Z. L.; Guo, Q. J. Dalton Trans. 2020, 49, 13393. doi: 10.1039/D0DT02753G

    48. [48]

      Jin, Z. L.; Zhang, L. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 49, 144. doi: 10.1016/j.jmst.2020.02.025

    49. [49]

      Zhang, L. J.; Wu, Y. L.; Li, J. K.; Jin, Z. L.; Li, Y. J.; Tsubaki, N. Mater. Today Phys. 2022, 27, 100767. doi: 10.1016/j.mtphys.2022.100767

    50. [50]

      Zhang, L. J.; Hao, X. Q.; Wang, Y. P.; Jina, Z. L.; Ma, Q. X. Chem. Eng. J. 2020, 391, 123545. doi: 10.1016/j.cej.2019.123545

    51. [51]

      吴新鹤, 陈郭强, 王娟, 李金懋, 王国宏. 物理化学学报, 2023, 39, 2212016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212016Wu, X. H.; Chen, G. Q.; Wang, J.; Li, J. M.; Wang, G. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2212016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212016

    52. [52]

      Li, J. K.; Li, M.; Li, Y. L.; Guo, X.; Jin, Z. L. Sep. Purif. Technol. 2022, 288, 120588. doi: 10.1016/j.seppur.2022.120588

    53. [53]

      Pan, J. W.; Zhang, G. X.; Guan, Z. J.; Zhao, Q. Y.; Li, G. Q.; Yang, J. J.; Li, Q. Y.; Zou. Z. G. J. Energy. Chem. 2021, 58, 408. doi: 10.1016/j.jechem.2020.10.030

    54. [54]

      Zhang, L. J.; Jin, Z. L.; Tsubaki, N. ACS Appl. Mater. Interface 2021, 13, 18507. doi: 10.1021/acsami.1c14987

    55. [55]

      Bie, C. B.; Yu, H. G.; Cheng, B.; Ho, W. K.; Fan, J. J.; Yu, J. G. Adv. Mater. 2021, 33, 2003521. doi: 10.1002/adma.202003521

    56. [56]

      Yan, T.; Wang, Y. P.; Cao, Y.; Liu, H.; Jin, Z. L. Appl. Catal. A: Gen. 2022, 630, 118457. doi: 10.1016/j.apcata.2021.118457

    57. [57]

      Zhang, L. J.; Jin, Z. L.; Tsubaki, N. Nanoscale 2021, 13, 50996. doi: 10.1039/D1NR05452J

    58. [58]

      Dong, Y. J.; Hu, Q. Y.; Li, B. A.; Li, X. H.; Chen, M. X.; Zhang, M. Y.; Feng, F.; Ding, Y. Appl. Catal. B: Environ. 2022, 304, 120998. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120998

    59. [59]

      Yan, X.; Jin, Z. L. Chem. Eng. J. 2021, 420, 127682. doi: 10.1016/j.cej.2020.127682

    60. [60]

      刘阳, 胡海强, 靳治良. 物理化学学报, 2021, 37, 2008030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008030Liu, Y.; Hu, H. Q.; Jin, Z. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2008030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008030

    61. [61]

      Wu, Y. L.; Li, Y. J.; Zhang, L. J.; Jin, Z. L. ChemCatChem 2022, 14, e202101656. doi: 10.1002/cctc.202101656

    62. [62]

      Hezam, A.; Namratha, K.; Drmosh, Q. A.; Ponnamma, D.; Wang, J. W.; Prasad, S.; Momin Ahamed, M.; Cheng, C.; Byrappa, K. ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 138. doi: 10.1021/acsanm.9b01833

    63. [63]

      Xia, P. F.; Cao, S. W.; Zhu, B. C.; Liu, M. J.; Shi, M. S.; Yu, J. G.; Zhang, Y. F. Angew. Chem. Int. Edit. 2020, 59, 5218. doi: 10.1002/anie.201916012

    64. [64]

      Guo, F.; Shi, W. L.; Wang, H. B.; Han, M. M.; Li, H.; Huang, H.; Liu, Y.; Kang, Z. H. Catal. Sci. Technol. 2017, 7, 3325. doi: 10.1039/C7CY00960G

    65. [65]

      Liang, Z. Z.; Shen, P. C.; Zhang, P.; Li, Y. J.; Li, N.; Li, X. Chin. J. Catal. 2022, 43, 2581. doi: 10.1016/S1872-2067(22)64130-5

    66. [66]

      Jiang, Z. C.; Zhang, L. Y.; Yu, J. G. J. Chin. Ceramic Soc. 2023, 51, 73. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20220459

    67. [67]

      Zhang, L. Y.; Zhang, J. J.; Yu, H. G.; Yu, J. G. Adv. Mater. 2022, 34, 2107668. doi: 10.1002/adma.202107668

    68. [68]

      Wu, X. H.; Ma, H. Q.; Wang, K.; Wang, J.; Wang, G. H.; Yu, H. G. J. Colloid Interface Sci. 2023, 633, 817. doi: 10.1016/j.jcis.2022.11.143

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  27
  • 文章访问数:  5467
  • HTML全文浏览量:  356
文章相关
  • 发布日期:  2023-12-15
  • 收稿日期:  2023-02-28
  • 接受日期:  2023-04-10
  • 修回日期:  2023-04-07
  • 网络出版日期:  2023-04-17
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