调整Keggin型多金属氧酸盐电子结构构建S型异质结用于光催化析氢

苗鑫宇 杨浩 何杰 王晶 靳治良

引用本文: 苗鑫宇, 杨浩, 何杰, 王晶, 靳治良. 调整Keggin型多金属氧酸盐电子结构构建S型异质结用于光催化析氢[J]. 物理化学学报, 2025, 41(6): 100051. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100051 shu
Citation:  Xinyu Miao, Hao Yang, Jie He, Jing Wang, Zhiliang Jin. Adjusting the electronic structure of Keggin-type polyoxometalates to construct S-scheme heterojunction for photocatalytic hydrogen evolution[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2025, 41(6): 100051. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100051 shu

调整Keggin型多金属氧酸盐电子结构构建S型异质结用于光催化析氢

    通讯作者: 何杰, 406793019@qq.com; 王晶, wangjing@email.tjut.edu.cn; 靳治良, zl-jin@nun.edu.cn
摘要: 缓慢的电子迁移速率和显著的电子-空穴复合是实现高光催化效率的重大障碍。利用多种催化剂构建异质结可以有效增强电荷分离。通过水热合成制备了一系列Keggin型空心十二面体多金属氧酸盐,并通过添加金属元素对其分子轨道进行修饰。金属元素的引入调节了多金属氧酸盐的电子结构,有效增强了多金属氧酸盐的电子聚集能力。单一组分催化剂常常面临严重的空穴-电子复合问题。为了解决这一问题,提出了构建异质结的方案以提高电子传输效率。通过将ZnCdS纳米颗粒固定在多金属氧酸盐表面形成异质结结构,显著增强了界面电荷传输能力。密度泛函理论(DFT)计算和实验结果表明,金属组分的调控使多金属氧酸盐具有更有利的能级轨道。ZnCdS和KMoP S型异质结的催化机制也得到了验证。S型异质结的形成进一步提高了电子传输效率,与其他传统异质结相比,实现了光生电子和空穴的高效利用。此外,S型异质结使催化剂的d带中心更接近费米能级,从而提高了导电能力。本文为多金属氧酸盐的能级调控和S型异质结的设计提供了一种新方法。

English

    1. [1]

      He, L.; Yang, Z.; Xu, Y.; Lu, X.; Kaba, S.; Li, C.; Yao, X.; Xu, D.; Yao, Z. J. Cleaner Prod. 2024, 451, 142103. doi: 10.1016/j.jclepro.2024.142103

    2. [2]

      Zhang, L.; Wu, Y.; Tsubaki, N.; Jin, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2302051. doi: 10.3866/PKU.WHXB202302051

    3. [3]

      Zhai, H.; He, J.; Liu, G.; Miao, X.; Jin, Z. J. Energy Storage 2024, 99, 113472. doi: 10.1016/j.est.2024.113472

    4. [4]

      Li, X.; Li, Y.; Guo, X.; Jin, Z. Front. Chem. Sci. Eng. 2023, 17, 606. doi: 10.1007/s11705-022-2233-4

    5. [5]

      Huang, X.; Chen, Y.; Wang, N.; Deng, G.-J.; Long, B.; Song, T. J. Catal. 2024, 429, 115281. doi: 10.1016/j.jcat.2023.115281

    6. [6]

      Jin, F.; Yang, B.; Wang, X.; Li, T.; Tsubaki, N.; Jin, Z. Chin. J. Struct. Chem. 2023, 42, 100198. doi: 10.1016/j.cjsc.2023.100198

    7. [7]

      Wang, H.; Li, X.; Zhao, X.; Li, C.; Song, X.; Zhang, P.; Huo, P.; Li, X. Chin. J. Catal. 2022, 43, 178. doi: 10.1016/S1872-2067(21)63910-4

    8. [8]

      Zhang, S.; Zhang, G.; Wu, S.; Guan, Z.; Li, Q.; Yang, J. J. Colloid Interface Sci. 2023, 650, 1974. doi: 10.1016/j.jcis.2023.07.147

    9. [9]

      Meng, A.; Zhou, S.; Wen, D.; Han, P.; Su, Y. Chin. J. Catal. 2024, 43, 2548. doi: 10.1016/S1872-2067(22)64111-1

    10. [10]

      Cai, X.; Du, J.; Zhong, G.; Zhang, Y.; Mao, L.; Lou, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2302017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202302017

    11. [11]

      Ye, L.; Xia, Z.; Xu, Q.; Yang, Y.; Xu, X.; Jin, H.; Wang, S. Chem. Commun. 2023, 59, 9872. doi: 10.1039/D3CC02914J

    12. [12]

      Sun, L.; Yu, X.; Tang, L.; Wang, W.; Liu, Q. Chin. J. Catal. 2023, 52, 164. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64507-3

    13. [13]

      Zhang, Y.; Zhang, Z. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 171, 147. doi: 10.1016/j.jmst.2023.06.048

    14. [14]

      Li, T.; Zhang, L.; Li, X.; Wang, X.; Jin, Z. J. Liaocheng Univ. 2023, 36, 25. doi: 10.19728/j.issn1672-6634.2022030011

    15. [15]

      Jin, Z.; Li, H.; Li, J. Chin. J. Catal. 2022, 43, 303. doi: 10.1016/s1872-2067(21)63818-4

    16. [16]

      Li, T.; Tsubaki, N.; Jin, Z. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 169, 82. doi: 10.1016/j.jmst.2023.04.049

    17. [17]

      Hu, P.; Liang, G.; Zhu, B.; Macyk, W.; Yu, J.; Xu, F. ACS Catal. 2023, 13, 12623. doi: 10.1021/acscatal.3c03095

    18. [18]

      Wan, S.; Wang, W.; Cheng, B.; Luo, G.; Shen, Q.; Yu, J.; Zhang, J.; Cao, S.; Zhang, L. Nat. Commun. 2024, 15, 9612. doi: 10.1038/s41467-024-53951-6

    19. [19]

      Cao, S.; Zhong, B.; Bie, C.; Cheng, B.; Xu, F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40, 2307016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307016

    20. [20]

      Deng, X.; Zhang, J.; Qi, K.; Liang, G.; Xu, F.; Yu, J. Nat. Commun. 2024, 15, 4807. doi: 10.1038/s41467-024-49004-7

    21. [21]

      Xiao, Q.; Yang, T.; Guo, X.; Jin, Z. Surf. Interfaces 2023, 43, 103577. doi: 10.1016/j.surfin.2023.103577

    22. [22]

      Antonello, A.; Benedetti, C.; Pérez-Pla, F. F.; Kokkinopoulou, M.; Kirchhoff, K.; Fischer, V.; Landfester, K.; Gross, S.; Muñoz-Espí, R. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 23174. doi: 10.1021/acsami.8b01617

    23. [23]

      Zhao, Z.; Diao, X.; Wang, P.; Gao, H.; Irvine, J. T. S.; Liu, R.; Zhang, X.; Wang, G. Chem. Eng. J. 2024, 482, 149184. doi: 10.1016/j.cej.2024.149184

    24. [24]

      Zhang, H.; Shao, C.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 195, 146. doi: 10.1016/j.jmst.2023.11.081

    25. [25]

      Cui, Y.; Xing, Z.; Guo, M.; Qiu, Y.; Fang, B.; Li, Z.; Yang, S.; Zhou, W. J. Colloid Interface Sci. 2022, 607, 942. doi: 10.1016/j.jcis.2021.09.075

    26. [26]

      Liu, J.; Yang, X.; Guo, X.; Jin, Z. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 196, 112. doi: 10.1016/j.jmst.2024.01.058

    27. [27]

      Jin Z. Journal of The Chinese Ceramic Society 2023, 51, 106. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.2022033

    28. [28]

      Wu, H.; Zhao, L.; He, X.; Chen, H.; Fang, W.; Du, X.; Li, W.; Wang, D. J. Cleaner Prod. 2023, 425, 138921. doi: 10.1016/j.jclepro.2023.138921

    29. [29]

      Fan, Z.; Guo, X.; Yang, M.; Jin, Z. Chin. J. Catal. 2022, 43, 2708. doi: 10.1016/s1872-2067(21)64053-6

    30. [30]

      Calvin, J. J.; Ben-Moshe, A.; Curling, E. B.; Brewer, A. S.; Sedlak, A. B.; Kaufman, T. M.; Alivisatos, A. P. J. Phys. Chem. C 2022, 126, 12958. doi: 10.1021/acs.jpcc.2c04223

    31. [31]

      MacSwain, W.; Lin, H.; Li, Z.-J.; Li, S.; Chu, C.; Dube, L.; Chen, O.; Leem, G.; Zheng, W. J. Mater. Chem. A 2023, 11, 7066. doi: 10.1039/d2ta08409k

    32. [32]

      Li, H.; Gong, H.; Jin, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2201037. doi: 10.3866/PKU.WHXB202201037

    33. [33]

      Shi, Y.; Li, L.; Xu, Z.; Guo, F.; Shi, W. Chem. Eng. J. 2023, 459, 141549. doi: 10.1016/j.cej.2023.141549

    34. [34]

      Fu, X.; Ren, T.; Jiao, S.; Tian, Z.; Yang, J.; Li, Q. J. Energy Chem. 2023, 83, 397. doi: 10.1016/j.jechem.2023.04.028

    35. [35]

      Yang, W.; Zhang, J.; Xu, Q.; Yang, Y.; Zhang, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40, 2312014. doi: 10.3866/PKU.WHXB202312014

    36. [36]

      Collini, H.; Jackson, M. D. Adv. Colloid Interface Sci. 2023, 320, 102962. doi: 10.1016/j.cis.2023.102962

    37. [37]

      Muff, L. F.; Luxbacher, T.; Burgert, I.; Michen, B. J. Colloid Interface Sci. 2018, 518, 165. doi: 10.1016/j.jcis.2018.02.022

    38. [38]

      Miao, X.; He, J.; Wang, X.; Jin, Z. Sep. Purif. Technol. 2024, 339, 126581. doi: 10.1016/j.seppur.2024.126581

    39. [39]

      Xu, S.; Wang, Y.; Wu, Y.; Li, M. Surf. Interfaces 2024, 44, 103576. doi: 10.1016/j.surfin.2023.103576

    40. [40]

      Ping, J.; He, D.; Wang, F.; Wang, N.; Fu, Y.-C.; Xing, Z.; Jia, Z.; Yang, G.-Y. Nano Res. 2024, 17, 1281. doi: 10.1007/s12274-023-6393-4

    41. [41]

      Wang, T.; Jin, Z. J. Mater. Sci. Technol. 2023, 155, 132. doi: 10.1016/j.jmst.2023.03.002

    42. [42]

      He, B.; Xiao, P.; Wan, S.; Zhang, J.; Chen, T.; Zhang, L.; Yu, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202313172. doi: 10.1002/anie.202313172

    43. [43]

      Deng, C.; Peng, L.; Ling, X.; Wang, T.; Xu, R.; Zhu, Y.; Wang, C.; Qian, X.; Wang, L.; Wu, Y.; et al. J. Cleaner Prod. 2023, 414, 137616. doi: 10.1016/j.jclepro.2023.137616

    44. [44]

      Liu, L.; Wang, Z.; Zhang, J.; Ruzimuradov, O.; Dai, K.; Low, J. Adv. Mater. 2023, 35, 2300643. doi: 10.1002/adma.202300643

    45. [45]

      Xie, H.; Wang, K.; Li, S.; Jin, Z. Surf. Interfaces 2023, 42, 103353. doi: 10.1016/j.surfin.2023.103353

    46. [46]

      Zhang, H.; Li, Q.; Li, B.; Weng, B.; Tian, Z.; Yang, J.; Hofkens, J.; Lai, F.; Liu, T. J. Catal. 2022, 407, 1. doi: 10.1016/j.jcat.2022.01.017

    47. [47]

      Yang, S.; Wang, K.; Chen, Q.; Wu, Y. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 175, 104. doi: 10.1016/j.jmst.2023.07.044

    48. [48]

      Zhang, L.; Liu, T.; Liu, T.; Hussain, S.; Li, Q.; Yang, J. Chem. Eng. J. 2023, 463, 142358. doi: 10.1016/j.cej.2023.142358

    49. [49]

      Cai, J.; Liu, B.; Zhang, S.; Wang, L.; Wu, Z.; Zhang, J.; Cheng, B. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 197, 183. doi: 10.1016/j.jmst.2024.02.012

    50. [50]

      Miao, X.; Zhang, J.; He, J.; Zhou, S.; Wu, Y.; Jin, Z. J. Phys. Chem. C 2024, 128, 1982. doi: 10.1021/acs.jpcc.3c08379

    51. [51]

      Lin, J.; Yang, H.; Zhang, J.; Yang, S.; Lu, G.; Zhang, Y.; Qin, H.; Xi, J.; Song, L. Ceram. Int. 2024, 50, 6713. doi: 10.1016/j.ceramint.2023.12.010

    52. [52]

      Li, Y.; Sun, Y.; Liu, Y.; Zheng, T.; Li, A.; Levchenko, G. G.; Han, W.; Pashchenko, A. V.; Sasaki, S.-i.; Tamiaki, H.; et al. J. Colloid Interface Sci. 2024, 654, 1001. doi: 10.1016/j.jcis.2023.10.097

    53. [53]

      Noh, S. H.; Lee, K. H.; Yang, H. S.; Jung, J.; Suh, E. H.; Oh, J. G.; Paik, U.; Park, S. C.; Jang, J. Chem. Eng. J. 2024, 481, 148127. doi: 10.1016/j.cej.2023.148127

    54. [54]

      Bu, D.; Bu, D.; Chen, W.; Huang, C.; Li, L.; Lei, H.; Huang, S. J. Catal. 2022, 407, 10. doi: 10.1016/j.jcat.2022.01.008

    55. [55]

      Shen, X.; Watanabe, M.; Song, J. T.; Takagaki, A.; Abe, T.; Tanaka, K.; Ishihara, T. J. Mater. Chem. A 2023, 11, 21153. doi: 10.1039/d3ta03682k

    56. [56]

      Li, J.; Huang, Z.; Wang, C.; Tian, L.; Yang, X.; Zhou, R.; Ghazzal, M. N.; Liu, Z.-Q. Appl. Catal. B Environ. Energy 2024, 340, 123181. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.123181

    57. [57]

      Zhu, J.; Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A. Chin. J. Catal. 2023, 49, 5. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64438-9

    58. [58]

      Xu, Q.; Zhang, L.; Cheng, B.; Fan, J.; Yu, J. Chem 2020, 6, 1543. doi: 10.1016/j.chempr.2020.06.010

    59. [59]

      He, H.; Wang, Z.; Zhang, J.; Shao, C.; Dai, K.; Fan, K. Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2315426. doi: 10.1002/adfm.202315426

    60. [60]

      Zhu, B.; Sun, J.; Zhao, Y.; Zhang, L.; Yu, J. Adv. Mater. 2024, 36, 2310600. doi: 10.1002/adma.202310600

    61. [61]

      Wang, Z.; Yue, X.; Xiang, Q. Coord. Chem. Rev. 2024, 504, 215674. doi: 10.1016/j.ccr.2024.215674

    62. [62]

      Li, S.; Wang, C.; Dong, K.; Zhang, P.; Chen, X.; Li, X. Chin. J. Catal. 2023, 51, 101. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64479-1

    63. [63]

      Deng, J.; Xu, D.; Zhang, J.; Xu, Q.; Yang, Y.; Wei, Z.; Su, Z. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 180, 150. doi: 10.1016/j.jmst.2023.04.053

    64. [64]

      Yu, J.; Li, X.; Fu, J.; Dai, K. Sci. China Mater. 2024, 67, 379. doi: 10.1007/s40843-024-2779-5

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  46
  • HTML全文浏览量:  4
文章相关
  • 发布日期:  2025-06-15
  • 收稿日期:  2024-11-25
  • 接受日期:  2025-01-13
  • 修回日期:  2025-01-10
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