WO3/Zn0.5Cd0.5S S型异质结光催化产氢耦合有机物转化机理研究

曹爽 钟博 别传彪 程蓓 徐飞燕

引用本文: 曹爽, 钟博, 别传彪, 程蓓, 徐飞燕. WO3/Zn0.5Cd0.5S S型异质结光催化产氢耦合有机物转化机理研究[J]. 物理化学学报, 2024, 40(5): 230701. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307016 shu
Citation:  Shuang Cao, Bo Zhong, Chuanbiao Bie, Bei Cheng, Feiyan Xu. Insights into Photocatalytic Mechanism of H2 Production Integrated with Organic Transformation over WO3/Zn0.5Cd0.5S S-Scheme Heterojunction[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(5): 230701. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307016 shu

WO3/Zn0.5Cd0.5S S型异质结光催化产氢耦合有机物转化机理研究

    通讯作者: 徐飞燕, xufeiyan@cug.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研究与发展计划 2022YFB3803600

    国家重点研究与发展计划 2022YFE0115900

    国家自然科学基金 52003213

    国家自然科学基金 22238009

    国家自然科学基金 22261142666

    国家自然科学基金 52073223

    国家自然科学基金 22278324

    国家自然科学基金 51932007

    湖北省自然科学基金 2022CFA001

摘要: 开发新型纳米材料实现光催化产氢耦合有机物转化、提高太阳能到化学能的转换效率,在解决能源和环境危机方面具有巨大潜力。三元金属硫化物具有可调控的带隙和优异的可见光响应,在光催化分解水产氢方面引起了广泛关注。其中,Zn0.5Cd0.5S是一种带隙较窄、导带位置较高、耐光腐蚀的还原型光催化剂;然而,单一Zn0.5Cd0.5S中光生电子和空穴的复合率较高,只有少部分光生载流子参与光催化反应,导致量子效率较低而无法达到实际需求。WO3是一种典型的氧化型光催化剂,具有较低的价带位置和较强的氧化能力,是与Zn0.5Cd0.5S耦合构建S型异质结的理想半导体。基于此,本文通过静电纺丝和水热方法将Zn0.5Cd0.5S纳米片垂直生长在WO3纳米纤维上,制备了具有核壳结构的WO3/Zn0.5Cd0.5S异质结。功函数的差异驱动Zn0.5Cd0.5S的电子转移到WO3上,在界面处形成内建电场并使能带弯曲。通过原位光照X射线光电子能谱、电子顺磁共振和时间分辨荧光光谱分析,发现在内建电场、弯曲能带和库仑吸引力的作用下,WO3导带上的光生电子迁移到Zn0.5Cd0.5S价带上并与其光生空穴复合,表明WO3和Zn0.5Cd0.5S之间形成了S型异质结,实现了具有强氧化还原能力的载流子的高效分离。得益于独特的S型光催化机制以及反应物在催化剂表面的有效吸附与活化,在没有贵金属助催化剂的情况下,WO3/Zn0.5Cd0.5S异质结在产氢(715 μmol∙g−1∙h−1)和乳酸转化为丙酮酸方面表现出增强的光催化活性,实现了光生电子和空穴的高效利用。原位漫反射傅里叶变换红外光谱和密度泛函理论计算揭示了光催化产氢和有机物转化的反应机理。本工作为设计和研究新型S型异质结光催化剂、实现高效产氢耦合有机物转化提供了新的见解。

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  • 发布日期:  2024-05-15
  • 收稿日期:  2023-07-11
  • 接受日期:  2023-07-25
  • 修回日期:  2023-07-25
  • 网络出版日期:  2023-07-31
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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