Metallic Tungsten Carbide Coupled with Liquid-Phase Dye Photosensitizer for Efficient Photocatalytic Hydrogen Production

Yonggang Lei Tianyu Zhao Kim Hoong Ng Yingzhen Zhang Xuerui Zang Xiao Li Weilong Cai Jianying Huang Jun Hu Yuekun Lai

Citation:  Yonggang Lei, Tianyu Zhao, Kim Hoong Ng, Yingzhen Zhang, Xuerui Zang, Xiao Li, Weilong Cai, Jianying Huang, Jun Hu, Yuekun Lai. Metallic Tungsten Carbide Coupled with Liquid-Phase Dye Photosensitizer for Efficient Photocatalytic Hydrogen Production[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(4): 220600. doi: 10.3866/PKU.WHXB202206006 shu

金属碳化钨与液相染料光敏剂协同促进光催化制氢

    通讯作者: 赖跃坤, yklai@fzu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22075046

    国家自然科学基金 51972063

    国家自然科学基金 21676216

    国家自然科学基金 21501127

    国家自然科学基金 51502185

    国家重点研发计划 2019YFE0111200

    福建省杰出青年基金 2020J06038

    福建省自然科学基金 2019J01256

    111项目 D17005

    中国博士后科学基金 前期站, 2019TQ0061

    陕西省教育厅专项 20JC034

    Kim Hoong Ng感谢台湾科技部(MOST)和明志科技大学(MCUT)的财政支持 MOST-110-2222-E-131-004-

    Kim Hoong Ng感谢台湾科技部(MOST)和明志科技大学(MCUT)的财政支持 VK000-1300-111

摘要: 使用WC作为光催化材料通过水还原制氢很常见,但它通常需要与有效的光吸收剂协同才能产生有意义的光催化活性。这可归因于WC的窄带隙,导致水的氧化还原能力不足。有趣的是,我们的研究通过一种新型固液光催化体系克服了这种限制,该体系将裸WC光催化剂与液相光敏赤藓红B (ErB)相结合。这种概念的提出消除了将WC耦合到光吸收半导体的需要,这通常需要繁琐的程序来获得适当的功能化光催化复合材料。实验结果表明,在可见光(λ = 520 nm)照射下,所提出的固液光催化体系产生了显著的氢气,然而,只有在三乙醇胺(TEOA)作为牺牲试剂的共同存在下。显然,仅加入WC和ErB的空白实验在典型的光催化条件下表现出几乎为零的光催化活性和无法测量的H2生成。在光照TEOA溶液中仅存在ErB或WC的光反应中也观察到类似的活性。这些空白实验证实了所有三种成分的重要性,即WC、ErB和TEOA,它们分别作为光催化剂、光吸收剂和牺牲试剂,在我们提出的体系中产生有意义的H2。值得注意的是,在我们的调查中系统地研究了三个关键参数,即pH值、ErB和WC浓度的影响。发现H2生成的最佳pH值为8,稍微改变到更碱性或酸性条件会降低体系的光催化活性。在pH < 8时,部分TEOA将发生部分质子化,从而失去其在光催化体系中作为牺牲试剂的活性。当pH值增加到超过8时,反应介质中的低质子浓度也会扰乱热力学驱动,导致体系产生的H2受到抑制。同时,发现最佳ErB浓度为1 mmol·L-1,从最佳点降低或增加ErB浓度均不利于H2的产生。ErB浓度较低的体系(< 1 mmol·L-1), 在吸光上不足以满足体系的礼用,而较高浓度(> 1 mmol·L-1 ErB)的体系,会引起明显的散射效应,组织光穿透反应溶液。相反,WC的浓度与H2的生成呈稳定的正相关,在加入12 mmol·L-1 WC的体系中,H2的生成量最高。在最佳条件下,成功生成了66 μmol∙h-1 H2,AQE略高为6.6%在520 nm处,这归因于ErB-TEOA-WC在所提出的体系中的协同作用。光电化学评估证实了ErB、TEOA和WC之间的相互作用,从而降低了阻抗,同时提高了体系中的电荷利用率。因此,还记录到了极好的H2转换数(TON)为15,在至少20 h的连续反应中具有难以察觉的活性衰减。对于机理,密度泛函理论(DFT)计算进一步证实了W和C空位在H2生成中的主要作用,这归因于他们提供的产品解吸,在光反应期间提高转化速率。从这些发现中得出结论,我们提出的新型WC/ErB/TEOA体系在液固光催化体系提供了一种更容易从水中产生H2的策略,这为金属碳化物光催化剂避免选择繁琐的光吸收剂耦合。

English

    1. [1]

      Ran, J.; Zhang, J.; Yu, J.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. Chem. Soc. Rev. 2014, 43 (22), 7787. doi: 10.1039/C3CS60425J

    2. [2]

      潘金波, 申升, 周威, 唐杰, 丁洪志, 王进博, 陈浪, 区泽堂, 尹双凤. 物理化学学报, 2020, 36, 1905068. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905068Pan, J.; Shen, S.; Zhou, W.; Tang, J.; Ding, H.; Wang, J.; Chen, L.; Au, C. T.; Yin, S. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1905068. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905068

    3. [3]

      Chen, X.; Shen, S.; Guo, L.; Mao, S. S. Chem. Rev. 2010, 110, 6503. doi: 10.1021/cr1001645

    4. [4]

      Song, W.; Ito, A.; Binstead, R. A.; Hanson, K.; Luo, H.; Brennaman, M. K.; Concepcion, J. J.; Meyer, T. J. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11587. doi: 10.1021/ja4032538

    5. [5]

      赵娜, 彭静, 王建平, 翟茂林. 物理化学学报, 2022, 38, 2004046. doi: 10.3866/PKU.WHXB202004046Zhao, N.; Peng, J.; Wang, J.; Zhai, M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2004046. doi: 10.3866/PKU.WHXB202004046

    6. [6]

      Ma, Y.; Wang, X.; Jia, Y.; Chen, X.; Han, H.; Li, C. Chem. Rev. 2014, 114, 9987. doi: 10.1021/cr500008u

    7. [7]

      姜志明, 陈晴, 郑巧清, 沈荣晨, 张鹏, 李鑫. 物理化学学报, 2021, 37, 2010059. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010059Jiang, Z.; Chen, Q.; Zheng, Q.; Shen, R.; Zhang, P.; Li, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010059. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010059

    8. [8]

      Zhu, Y.; Wang, T.; Xu, T.; Li, Y.; Wang, C. Appl. Surf. Sci. 2019, 464, 36. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.09.061

    9. [9]

      Zeng, L.; Dai, C.; Liu, B.; Xue, C. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 24217. doi: 10.1039/C9TA10290F

    10. [10]

      Do, J. Y.; Chava, R. K.; Kim, Y. Il; Cho, D. W.; Kang, M. Appl. Surf. Sci. 2019, 494, 886. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.07.227

    11. [11]

      雷卓楠, 马心怡, 胡晓云, 樊君, 刘恩周. 物理化学学报, 2022, 38, 2110049. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110049Lei, Z.; Ma, X.; Hu, X.; Fan, J.; Liu, E. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2110049. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110049

    12. [12]

      Sun, Z.; Zheng, H.; Li, J.; Du, P. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 2668. doi: 10.1039/C5EE01310K

    13. [13]

      Guo, Y.; Mao, L.; Tang, Y.; Shang, Q.; Cai, X.; Zhang, J.; Hu, H.; Tan, X.; Liu, L.; Wang, H.; Yu, T.; Ye, J. Nano Energy 2022, 95, 107028. doi: 10.1016/j.nanoen.2022.107028

    14. [14]

      Hu, Z.; Zhang, X.; Yin, Q.; Liu, X.; Jiang, X.; Chen, Z.; Yang, X.; Huang, F.; Cao, Y. Nano Energy 2019, 60, 775. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.04.027

    15. [15]

      Zubair, M.; Vanhaecke, E. M. M.; Svenum, I. -H.; Rønning, M.; Yang, J. Green Energy Environ. 2020, 5, 461. doi: 10.1016/j.gee.2020.10.017

    16. [16]

      张鹏, 王继全, 李源, 姜丽莎, 王壮壮, 张高科. 物理化学学报, 2021, 37, 2009102. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009102Zhang, P.; Wang, J.; Li, Y.; Jiang, L.; Wang, Z.; Zhang, G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2009102. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009102

    17. [17]

      Guo, P.; Xiong, Z.; Yuan, S.; Xie, K.; Wang, H.; Gao, Y. Chem. Eng. J. 2021, 420, 130372. doi: 10.1016/j.cej.2021.130372

    18. [18]

      Lin, Z.; Du, C.; Yan, B.; Yang, G. Catal. Sci. Technol. 2019, 9, 5582. doi: 10.1039/C9CY01621J

    19. [19]

      Zhong, W.; Li, W.; Yang, C.; Wu, J.; Zhao, R.; Idrees, M.; Xiang, H.; Zhang, Q.; Li, X. J. Energy Chem. 2021, 61, 236. doi: 10.1016/j.jechem.2021.02.013

    20. [20]

      Li, S.; Wang, L.; Li, Y.; Zhang, L.; Wang, A.; Xiao, N.; Gao, Y.; Li, N.; Song, W.; Ge, L.; Liu, J. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 254, 145. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.05.001

    21. [21]

      Tian, Y.; Song, Y.; Liu, J.; Ji, J.; Wang, F. Chem. Eng. J. 2020, 398, 125554. doi: 10.1016/j.cej.2020.125554

    22. [22]

      Xu, X.; Pan, L.; Han, Q.; Wang, C.; Ding, P.; Pan, J.; Hu, J.; Zeng, H.; Zhou, Y. J. Catal. 2019, 374, 237. doi: 10.1016/j.jcat.2019.04.043

    23. [23]

      Liu, M. L.; Chen, B. Bin; Li, R. S.; Li, C. M.; Zou, H. Y.; Huang, C. Z. ACS Sustain. Chem. Eng. 2017, 5, 4154. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b00126

    24. [24]

      Chen, S.; Vequizo, J. J. M.; Hisatomi, T.; Nakabayashi, M.; Lin, L.; Wang, Z.; Yamakata, A.; Shibata, N.; Takata, T.; Yamada, T.; et al. Chem. Sci. 2020, 11, 6436. doi: 10.1039/D0SC01167C

    25. [25]

      Godin, R.; Wang, Y.; Zwijnenburg, M. A.; Tang, J.; Durrant, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5216. doi: 10.1021/jacs.7b01547

    26. [26]

      Liu, S.; Meng, X.; Adimi, S.; Guo, H.; Qi, W.; Attfield, J. P.; Yang, M. Chem. Eng. J. 2021, 408, 127307. doi: 10.1016/j.cej.2020.127307

    27. [27]

      Guo, F.; Wu, Y.; Ai, X.; Chen, H.; Li, G. -D.; Chen, W.; Zou, X. Chem. Commun. 2019, 55, 8627. doi: 10.1039/C9CC03638E

    28. [28]

      Zhong, Y.; Xia, X.; Shi, F.; Zhan, J.; Tu, J.; Fan, H. J. Adv. Sci. 2016, 3, 1500286. doi: 10.1002/advs.201500286

    29. [29]

      Lei, Y.; Wu, X.; Li, S.; Huang, J.; Ng, K. H.; Lai, Y. J. Clean. Prod. 2021, 322, 129018. doi: 10.1016/j.jclepro.2021.129018

    30. [30]

      Xiao, R.; Zhao, C.; Zou, Z.; Chen, Z.; Tian, L.; Xu, H.; Tang, H.; Liu, Q.; Lin, Z.; Yang, X. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 268, 118382. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118382

    31. [31]

      He, K.; Xie, J.; Liu, Z. -Q.; Li, N.; Chen, X.; Hu, J.; Li, X. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 13110. doi: 10.1039/C8TA03048K

    32. [32]

      He, K.; Xie, J.; Yang, Z.; Shen, R.; Fang, Y.; Ma, S.; Chen, X.; Li, X. Catal. Sci. Technol. 2017, 7, 1193. doi: 10.1039/c7cy00029d

    33. [33]

      Lei, Y.; Ng, K. H.; Zhang, Y.; Li, Z.; Xu, S.; Huang, J.; Lai, Y. Chem. Eng. J. 2022, 434, 134689. doi: 10.1016/j.cej.2022.134689

    34. [34]

      Huang, Z.; Chen, H.; He, X.; Fang, W.; Li, W.; Du, X.; Zeng, X.; Zhao, L. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 46598. doi: 10.1021/acsami.1c12063

    35. [35]

      Chen, Y.; Yang, D.; Xin, X.; Yang, Z.; Gao, Y.; Shi, Y.; Zhao, Z.; An, K.; Wang, W.; Tan, J.; Jiang, Z. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 9717. doi: 10.1039/D1TA10270B

    36. [36]

      Humayun, M.; Ullah, H.; Cheng, Z. -E.; Tahir, A. A.; Luo, W.; Wang, C. Appl. Catal. B-Environ. 2022, 310, 121322. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121322

    37. [37]

      Li, Y.; Yang, L.; He, H.; Sun, L.; Wang, H.; Fang, X.; Zhao, Y.; Zheng, D.; Qi, Y.; Li, Z.; Deng, W. Nat. Commun. 2022, 13, 1355. doi: 10.1038/s41467-022-29076-z

    38. [38]

      Zhang, S.; Zhang, X.; Rui, Y.; Wang, R.; Li, X. Green Energy Environ. 2021, 6, 458. doi: 10.1016/j.gee.2020.10.013

    39. [39]

      Li, W.; Min, S.; Wang, F.; Zhang, Z. Sustain. Energy Fuels 2020, 4, 116. doi: 10.1039/C9SE00820A

    40. [40]

      Tian, L.; Min, S.; Lei, Y.; Chen, S.; Wang, F. Chem. Commun. 2019, 55, 6870. doi: 10.1039/C9CC03230D

    41. [41]

      Zhu, Q.; Qiu, B.; Duan, H.; Gong, Y.; Qin, Z.; Shen, B.; Xing, M.; Zhang, J. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 259, 118078. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118078

    42. [42]

      Wang, P.; Guan, Z.; Li, Q.; Yang, J. J. Mater. Sci. 2018, 53, 774. doi: 10.1007/s10853-017-1540-5

    43. [43]

      Zhou, Y.; Hu, W.; Yang, S.; Zhang, Y.; Nyakuchena, J.; Duisenova, K.; Lee, S.; Fan, D.; Huang, J. J. Phys. Chem. C 2020, 124, 1405. doi: 10.1021/acs.jpcc.9b09634

    44. [44]

      Kaphan, D. M.; Brereton, K. R.; Klet, R. C.; Witzke, R. J.; Miller, A. J. M.; Mulfort, K. L.; Delferro, M.; Tiede, D. M. Organometallics 2021, 40, 1482. doi: 10.1021/acs.organomet.1c00133

    45. [45]

      Yue, X.; Yi, S.; Wang, R.; Zhang, Z.; Qiu, S. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 10591. doi: 10.1039/C7TA02655B

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  • 发布日期:  2023-04-15
  • 收稿日期:  2022-06-04
  • 接受日期:  2022-06-29
  • 修回日期:  2022-06-28
  • 网络出版日期:  2022-07-01
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

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