氫能因其清潔、高效、安全和高能量密度而被認(rèn)為是一種潛在的可持續(xù)能源。在獲得氫能的各種方法中，光催化水分解制氫是一種理想的方法。在光照射下，半導(dǎo)體光催化劑可以連續(xù)地將水分解成H2。在眾多的制氫光催化劑中，g-C3N4(CN)以其穩(wěn)定性好、帶隙窄、還原能力強(qiáng)等優(yōu)點引起了人們的關(guān)注。純CN是由層疊納米片構(gòu)成的塊狀結(jié)構(gòu)，缺乏足夠的反應(yīng)中心。因此，合理設(shè)計CN形態(tài)對提高其光催化析氫(PHE)活性是必要的。
對于光催化，中空結(jié)構(gòu)允許光在腔內(nèi)持續(xù)反射和散射，增強(qiáng)入射光的吸收；薄殼能減小電荷載流子的遷移距離，抑制電荷復(fù)合。并且，大的比表面積也為催化反應(yīng)提供了更多的活性位點。因此，中空結(jié)構(gòu)可能是提高CN的PHE效率的一個很好的選擇。基于此，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所馬望京課題組成功地在混合溶液中快速重結(jié)晶尿素和TAA，再加上煅燒，制備了具有珊瑚狀中空多孔結(jié)構(gòu)的S-CN。隨后，在S-CN骨架上原位生長ZnIn2S4(ZIS)，制備了S-CN/ZIS異質(zhì)結(jié)。S-CN的表面褶皺和內(nèi)部空洞提供了較大的比表面積，暴露的活性位點較多，光利用率較高；同時，構(gòu)造異質(zhì)結(jié)也加速了光生電荷載流子的分離和遷移。此外，S摻雜和S型異質(zhì)結(jié)的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)一步促進(jìn)了電荷轉(zhuǎn)移。因此，最優(yōu)的S0.5-CN/ZIS催化劑在可見光照射下的產(chǎn)氫速率可達(dá)19.25 mmol g-1 h-1，是CN/ZIS催化劑的2.27倍。此外，在420 nm的波長下，表觀量子產(chǎn)率(AQE)達(dá)到了34.43%，優(yōu)于以往研究中的類似催化劑。基于光譜表征結(jié)果和理論計算，研究人員提出了S-CN/ZIS異質(zhì)結(jié)的PHE反應(yīng)機(jī)理。具體而言，由于S型異質(zhì)結(jié)中的內(nèi)建電場(IEF)效應(yīng)，光生電子自發(fā)地從ZIS的CB流向S-CN的VB；ZIS的CB輸運(yùn)的電子可以與S-CN的VB中的固有空穴重新結(jié)合，S-CN表面的高能電子與吸附的H反應(yīng)產(chǎn)生H2。S型異質(zhì)結(jié)的電荷轉(zhuǎn)移模式促進(jìn)了光生電子和空穴的空間分離，為有效的PHE反應(yīng)提供了強(qiáng)大的氧化還原能力。此外，S-CN/ZIS異質(zhì)結(jié)還增強(qiáng)了水分子在催化劑表面的吸附和活化，以及對H的吸附和解吸，協(xié)同提升光催化水分解產(chǎn)氫性能。綜上，該項工作對復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)等電場效應(yīng)、氫吸附能以及S型異質(zhì)結(jié)的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，為CN基高效光催化劑的設(shè)計提供了新的視角和理論依據(jù)。In situ construction of hollow coral-like porous S-doped g-C3N4/ZnIn2S4 S-scheme heterojunction for efficient photocatalytic hydrogen evolution. Advanced Science, 2024. DOI: 10.1002/advs.202403771
