利用光催化技術制氫被認為是用太陽能取代傳統(tǒng)礦物燃料的最有前景的途徑之一。然而，設計和開發(fā)高效率、長期穩(wěn)定和低成本的光催化劑仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
在眾多光催化劑中，Z型異質(zhì)結(jié)光催化劑具有高的電荷分離分離，同時其還保留了具有更強氧化還原能力的電荷載流子。因此，在合理利用能帶結(jié)構的基礎上巧妙地建立Z型異質(zhì)結(jié)是優(yōu)化光催化活性的必要條件。
近日，蘭州大學王育華和香港科技大學羅正湯等以六方柱狀ZnO作為前驅(qū)體，經(jīng)過硫化、化學腐蝕和離子交換等步驟，制備出了空間分離籠狀Ag2S@CdS/ZnS Z型異質(zhì)結(jié)光催化劑。
經(jīng)過獨特的逐步離子交換過程，ZnS、CdS和Ag2S以內(nèi)向外的順序集成在籠殼上。由于形成了兩個內(nèi)置電場，并且兩個電場都在殼層內(nèi)側(cè)面朝向ZnS方向，因此在含有Zn空位的ZnS和CdS之間形成了Z型異質(zhì)結(jié)，可以有效地增強光生載流子的分離。在殼層內(nèi)ZnS的VB上具有較強氧化作用的光生空穴，而在CdS的CB上的光生電子轉(zhuǎn)移到外殼層。
此外，在Ag2S和CdS之間形成的內(nèi)置電場可以驅(qū)動CdS產(chǎn)生的光生電子向Ag2S遷移，排斥CdS的VB中的光生空穴向ZnS遷移，從而實現(xiàn)了光生電子和空穴的空間分離。并且，實驗結(jié)果和DFT計算也證實了在ZnS和CdS的VZn能級之間存在Z型電荷輸運通道，而Ag2S作為光生電子的收集器和還原反應中心。
因此，在可見光照射下，最優(yōu)的3ACZ1光催化劑在4個小時內(nèi)的產(chǎn)氫量達到15.03 mmol g?1，分別是具有VZn和CdS的籠狀ZnS的136.6倍和17.3倍。
此外，對所制備的樣品進行24小時的連續(xù)循環(huán)實驗，發(fā)現(xiàn)3ACZ1的活性僅下降13.7%，表明其具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。總的來說，該項工作展示了異質(zhì)結(jié)結(jié)構在光催化材料形態(tài)設計中的巨大潛力，同時也為設計其他高效的協(xié)同光催化反應提供了合理的途徑。
Constructing Spatially Separated Cage-Like Z-scheme Heterojunction Photocatalyst for Enhancing Photocatalytic H2 Evolution. Small, 2023. DOI: 10.1002/smll.202208266
