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ZnIn_(2)S_(4)修饰TiO_(2)的分级S型异质结用于促进光催化析氢
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作者 张宝龙 刘方璇 +2 位作者 孙彬 高婷婷 周国伟 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第4期334-345,共12页
利用半导体光催化裂解水制氢被认为是解决日益严重的环境污染和能源短缺问题的有效途径之一,然而半导体光吸收范围窄、光生载流子复合率高以及光催化剂氧化还原能力差等问题限制了该技术的发展.为克服这些难题,构建能带结构匹配的S型异... 利用半导体光催化裂解水制氢被认为是解决日益严重的环境污染和能源短缺问题的有效途径之一,然而半导体光吸收范围窄、光生载流子复合率高以及光催化剂氧化还原能力差等问题限制了该技术的发展.为克服这些难题,构建能带结构匹配的S型异质结成为提高光催化活性的有效策略.该结构能实现光生载流子的空间分离和转移,有效地抑制其复合,同时保留了光催化体系的强氧化还原能力.本文利用原位化学浴沉积法成功地将ZnIn_(2)S_(4)纳米片修饰在花状TiO_(2)微球表面,制备了具有独特分级结构的TiO_(2)/ZnIn_(2)S_(4) S型异质结光催化材料,并研究了其光催化析氢活性.Zeta电位结果表明,TiO_(2)带有正电荷,可以率先吸附溶液中的S2-并与后续加入的In3+和Zn2+原位反应生成ZnIn_(2)S_(4),进而构建稳定的TiO_(2)/ZnIn_(2)S_(4)异质结光催化剂.X射线粉末衍射、扫描电镜和透射电镜等结果证实了TiO_(2)/ZnIn_(2)S_(4)异质结光催化剂的成功制备.紫外-可见漫反射结果表明,ZnIn_(2)S_(4)的引入明显增强了TiO_(2)的光吸收能力.结合莫特-肖特基曲线、X射线光电子能价带谱和紫外光电子能谱等表征结果,确定了TiO_(2)和ZnIn_(2)S_(4)的能带结构及费米能级位置.光电流密度、电化学阻抗、表面光电压、荧光光谱和时间分辨荧光光谱等测试结果表明,TiO_(2)/ZnIn_(2)S_(4)异质结具有较好的光生载流子分离和转移效率以及更长的光生载流子寿命.线性扫描伏安和接触角测试证明了TiO_(2)/ZnIn_(2)S_(4)异质结具有更低的过电势和良好的亲水性,更有利于析氢反应发生.通过阿伦尼乌斯方程对反应温度和析氢速率之间的关系进行拟合,结果发现,TiO_(2)/ZnIn_(2)S_(4)异质结具有更低的析氢反应表观活化能,从而更有利于光催化析氢反应发生.非原位和原位X射线光电子能谱以及电子自旋共振光谱等结果表明,TiO_(2)/ZnIn_(2)S_(4)异质结遵循S型电子转移机理.在模拟太阳光照射下,最佳配比的TiO_(2)/ZnIn_(2)S_(4)异质结的光催化析氢速率达6.85 mmol g^(-1) h^(-1),分别约为纯TiO_(2)和ZnIn_(2)S_(4)的171.2倍和3.9倍.此外,经六次循环后催化材料仍保持良好的光催化析氢活性,表明具有紧密界面接触的分级结构异质结可以有效地抑制ZnIn_(2)S_(4)的光腐蚀,且保持良好的结构稳定性.综上,本文构建了TiO_(2)/ZnIn_(2)S_(4) S型异质结,有效促进了光生载流子的空间分离和转移,同时保留了其强氧化还原能力,从而提高光催化析氢活性.本研究为设计和合成高效的异质结光催化剂提供了参考. 展开更多
关键词 TiO_(2) 分级结构 ZnIn_(2)S_(4) S型异质结 光催化 析氢
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Vacancy engineering mediated hollow structured ZnO/ZnS S-scheme heterojunction for highly efficient photocatalytic H2 production
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作者 fangxuan liu Bin Sun +3 位作者 Ziyan liu Yingqin Wei Tingting Gao Guowei Zhou 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第9期152-165,共14页
Designing a step-scheme(S-scheme)heterojunction photocatalyst with vacancy engineering is a reliable approach to achieve highly efficient photocatalytic H_(2)production activity.Herein,a hollow ZnO/ZnS S-scheme hetero... Designing a step-scheme(S-scheme)heterojunction photocatalyst with vacancy engineering is a reliable approach to achieve highly efficient photocatalytic H_(2)production activity.Herein,a hollow ZnO/ZnS S-scheme heterojunction with O and Zn vacancies(VO,Zn-ZnO/ZnS)is rationally constructed via ion-exchange and calcination treatments.In such a photocatalytic system,the hollow structure combined with the introduction of dual vacancies endows the adequate light absorption.Moreover,the O and Zn vacancies serve as the trapping sites for photo-induced electrons and holes,respectively,which are beneficial for promoting the photo-induced carrier separation.Meanwhile,the S-scheme charge transfer mechanism can not only improve the separation and transfer efficiencies of photo-induced carrier but also retain the strong redox capacity.As expected,the optimized VO,Zn-ZnO/ZnS heterojunction exhibits a superior photocatalytic H_(2)production rate of 160.91 mmol g^(-1)h^(-1),approximately 643.6 times and 214.5 times with respect to that obtained on pure ZnO and ZnS,respectively.Simultaneously,the experimental results and density functional theory calculations disclose that the photo-induced carrier transfer pathway follows the S-scheme heterojunction mechanism and the introduction of O and Zn vacancies reduces the surface reaction barrier.This work provides an innovative strategy of vacancy engineering in S-scheme heterojunction for solar-to-fuel energy conversion. 展开更多
关键词 Hollow structure ZnO/ZnS S-scheme heterojunction Vacancy engineering Photocatalytic H2 production
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用于能源转化和环境修复的TiO_(2)基梯型异质结光催化剂 被引量:4
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作者 张宝龙 孙彬 +2 位作者 刘方璇 高婷婷 周国伟 《Science China Materials》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第2期424-443,共20页
太阳能驱动的半导体光催化技术被认为是缓解能源短缺和环境污染的潜在策略.因此,探索高效的光催化剂是推动光催化技术发展和实际应用的关键.作为一种典型的半导体光催化剂,TiO_(2)因其化学稳定、环境友好、成本低廉等特性而备受关注.然... 太阳能驱动的半导体光催化技术被认为是缓解能源短缺和环境污染的潜在策略.因此,探索高效的光催化剂是推动光催化技术发展和实际应用的关键.作为一种典型的半导体光催化剂,TiO_(2)因其化学稳定、环境友好、成本低廉等特性而备受关注.然而,TiO_(2)光生载流子的快速复合、光吸收范围窄以及还原能力不足等缺点严重阻碍了其光催化性能.通过将TiO_(2)与其他半导体复合以构建梯型异质结可以有效的解决上述问题.在此光催化体系中,梯型异质结不仅可以整合各组分的优点,实现光生载流子的有效分离和光捕获能力的增强,而且还能保留最强的氧化还原能力.基于此,本文综述了利用构建梯型异质结来提高TiO_(2)光催化性能的最新研究进展,着重介绍了TiO_(2)基梯型异质结光催化剂的分类,主要包括金属氧化物、金属硫属化物、有机半导体和其他类型半导体.在此基础上,本文还总结了TiO_(2)基梯型异质结光催化剂在析氢、CO_(2)还原、H_(2)O_(2)生成和污染物降解等领域中的应用.同时,为了更好地理解光生载流子的转移途径,本文还简要介绍了梯型异质结的一些表征方法.最后,对TiO_(2)基梯型异质结光催化剂所面临的问题和未来的发展方向进行了展望.综上,本文旨在为构建用于能源转换和环境修复的高效TiO_(2)基梯型异质结光催化剂提供参考. 展开更多
关键词 TiO_(2) step-scheme heterojunction PHOTOCATALYSIS energy conversion environmental remediation
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