河南大學(xué)王冠課題組利用光沉積法及原位生長(zhǎng)法，將金納米顆粒與硫化鎘量子點(diǎn)引入超薄片狀鈮酸鹽體系，構(gòu)建了全光譜響應(yīng)的高效光催化劑。得益于有效的光譜利用率和快速的電子遷移速率，該催化劑在光催化分解水制氫、芐胺的氧化自偶聯(lián)和有機(jī)染料的降解等方面均表現(xiàn)出優(yōu)異性能。
二維鈮酸鹽納米片（HNb3O8）具有良好的光解水析氫和選擇性氧化性能。但其帶隙較寬（~3.67 eV），僅能利用紫外區(qū)光源，對(duì)可見(jiàn)光的利用率較差，這導(dǎo)致該類(lèi)材料的應(yīng)用受到限制。而硫化鎘量子點(diǎn)（CdS QDs）是最常見(jiàn)的半導(dǎo)體光催化劑之一，其帶隙為2.4 eV，與太陽(yáng)能光譜有較好的契合。并且，金納米顆粒（Au NPs）由于其表面等離子體共振效應(yīng)（SPR），也被廣泛應(yīng)用于光催化劑的吸收拓展。因此，在鈮酸鹽體系中引入CdS QDs和Au NPs，不僅可以加快電子與空穴的遷移和分離效率，也使構(gòu)建全光譜利用的催化劑成為可能。
圖1 CdS/Au/HNb3O8復(fù)合光催化劑的合成路線示意圖。
圖2 a). HNb3O8的TEM圖像；b)和c). 35%CdS/5%Au/HNb3O8的TEM圖像；d). 35%CdS/5%Au/HNb3O8的HRTEM圖像。圖3 a). 催化劑的析氫速率圖；b).析氫產(chǎn)量隨時(shí)間變化曲線。
基于上述思考，河南大學(xué)王冠課題組借助光沉積法及原位生長(zhǎng)法將CdS QDs和Au NPs與HNb3O8超薄納米片進(jìn)行自組裝，合成了具有二維結(jié)構(gòu)的CdS/Au/HNb3O8復(fù)合光催化劑。其中，CdS QDs和Au NPs 均勻負(fù)載于HNb3O8超薄納米片表面，且CdS/Au/HNb3O8光催化劑在溶劑中也具備良好的分散性及穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)一系列的控制實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)CdS QDs和Au NPs的負(fù)載量分別為35%和5%時(shí)，催化劑的性能達(dá)到最優(yōu)，光解水析氫效率高達(dá)5.85 mmol?g–1?h–1，相對(duì)于HNb3O8納米片，提高了約254倍。在芐胺的氧化自偶聯(lián)反應(yīng)中，轉(zhuǎn)化率和選擇性分別為99.4%和99%。此外，該催化劑對(duì)于羅丹明B、甲基橙和亞甲基藍(lán)等幾種有機(jī)染料的光降解也具有良好的效果。為了揭示催化劑性能大幅提升的本質(zhì)原因，除傳統(tǒng)的表征之外，作者還利用同步輻射X射線吸收譜（XAFS）和密度泛函理論計(jì)算（DFT）等新方法來(lái)研究催化反應(yīng)機(jī)理。
該復(fù)合光催化劑的制備過(guò)程簡(jiǎn)單、原材料易得，在反應(yīng)體系中具備良好的分散性及穩(wěn)定性。相比單一組份催化劑，在光催化分解水制氫、芐胺的氧化自偶聯(lián)和有機(jī)染料的降解等多種場(chǎng)景下均表現(xiàn)出顯著的性能提升，該工作為設(shè)計(jì)合成高效的二維光催化劑提供了新的思路。
論文信息
Ultrathin Niobate Nanosheet Assembly with Au NPs and CdS QDs as a Highly Efficient Photocatalyst
Niuniu Zhang, Xia Wu, Kangjia Lv, Yujie Chu, Haimei Qin, Dongdi Zhang, Guan Wang, Jingyang Niu
文章第一作者是河南大學(xué)碩士研究生張妞妞，通訊作者為河南大學(xué)王冠博士、牛景楊教授。
研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（21901061, 22171071）及河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（222102320166）的資助。
Chemistry – A European Journal
DOI: 10.1002/chem.202202256
