双聚合物Cd3(C3N3S3)2/Zn3(C3N3S3)2 S型异质结增强光催化产氢性能

• Published in: 催化学报 Vol. 58; no. 3; pp. 157 - 167
• Main Authors: 杨婷婷, 汪静, 王中辽, 张金锋, 代凯
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 淮北师范大学,绿色和精准合成化学及应用教育部重点实验室,污染物敏感材料与环境修复安徽省重点实验室,安徽省智能计算与应用重点实验室,安徽省铝材料工业共性技术研究中心,安徽淮北 235000 2024
• Subjects: 光催化析氢; ZnTMT; Photocatalytic hydrogen evolution; CdTMT; S-scheme; S型异质结; 电荷转移; Charge transfer
• ISSN: 0253-9837
• DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64607-8

利用光催化剂将太阳能转化为化学能,以应对当今社会所面临的环境污染和能源挑战,是一种极具发展潜力的策略.因此,研发高效光催化剂成为当务之急.在众多光催化剂中,金属硫化物受到广泛关注.其中,CdS因其出色的产氢性能而被视为一种具有前景的光催化剂,并备受关注.然而,CdS易发生光腐蚀,导致S2-阴离子容易被产生的空穴氧化,从而影响了其光化学稳定性,限制了其应用.为解决上述问题,本课题组尝试用(C3N3S3)3-代替S2-合成了不易受光腐蚀且相对稳定的聚合物Cd3(C3N3S3)2(CdTMT),CdTMT是一种对可见光有良好响应的大分子配位聚合物,在光催化制氢方面表现出较好的催化性能. 本文以八面体CdTMT为基底,通过生长棒状Zn3(C3N3S3)2(ZnTMT),利用简便的一步原位水热法制备了不同比例的CdTMT/ZnTMT S型异质结光催化剂.通过X射线衍射、扫描电镜以及透射电镜对样品的晶体结构、微观形貌以及组成元素进行了表征,并利用X射线光电子能谱、开尔文探针力显微镜和电子顺磁共振等技术对复合材料的电子传输行为进行了详细分析.结果表明,在黑暗状态下,电子由CdTMT转移到ZnTMT,当光照时电子由ZnTMT转移到CdTMT,证实了CdTMT/ZnTMT S型异质结的成功构建.同时,拉曼光谱证明了三嗪环的存在.此外,考察了纯样品和复合材料的光催化析氢性能.结果表明,在光照下S型CdTMT/ZnTMT异质结的光催化析氢效率相较于单一催化剂ZnTMT与CdTMT有显著提升,最高达到45.24mmol·g-1·h-1,分别是ZnTMT和CdTMT的215.43倍和1.76倍.CdTMT/ZnTMT S型异质结的内建电场、能带弯曲和库仑力以及兀共轭轨道之间存在协同作用,不仅保留了 CdTMT导带上电子与ZnTMT价带上空穴的强氧化还原能力,而且通过重新配置氧化还原活性较低的光生电子和空穴,实现了更高的电子-空穴分离效率,从而增强了复合材料的光催化活性.上述结果与表征和密度泛函理论计算结果一致. 鉴于聚合物体系在自然环境中的无序性,研究聚合物的电子传递机制仍具有一定的挑战性.本文通过成功构建双聚合物S型异质结,在显著优化光催化剂性能的同时,也为设计聚合物电子转移机制和优化聚合物光催化剂性能提供了新思路.