【摘 要】
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氢气是公认的洁净、高效、可再生的能源载体,有望替代目前广泛使用的化石燃料.太阳能光催化产氢是实现高效、低成本、可持续生产氢能的一种途径.然而,单一组分光催化剂的性能受限于光生电子-空穴的快速复合,并且不能同时满足宽的太阳光吸收范围和强的氧化还原能力的要求,因此需要构建异质结来增强光生载流子的分离并保持高效光吸收和强氧化还原能力.异质结包括Ⅱ型异质结、Z型(分为传统Z型和全固态Z型)异质结和梯型(Step-scheme,S型)异质结.在Ⅱ型异质结中,光生电子从较高迁移至较低的导带,而光生空穴从较低迁移至较高
【机 构】
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阿卜杜勒阿齐兹国王大学理学院物理系,吉达,沙特阿拉伯;中国地质大学(武汉)材料与化学学院太阳燃料实验室,湖北武汉430074,中国
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氢气是公认的洁净、高效、可再生的能源载体,有望替代目前广泛使用的化石燃料.太阳能光催化产氢是实现高效、低成本、可持续生产氢能的一种途径.然而,单一组分光催化剂的性能受限于光生电子-空穴的快速复合,并且不能同时满足宽的太阳光吸收范围和强的氧化还原能力的要求,因此需要构建异质结来增强光生载流子的分离并保持高效光吸收和强氧化还原能力.异质结包括Ⅱ型异质结、Z型(分为传统Z型和全固态Z型)异质结和梯型(Step-scheme,S型)异质结.在Ⅱ型异质结中,光生电子从较高迁移至较低的导带,而光生空穴从较低迁移至较高的价带.该原理中光生载流子的转移会使其氧化还原能力降低,同时光生电子-空穴间的吸引和同种电荷间的互斥不利于载流子的转移.Z型异质结利用溶解的氧化还原离子对(传统的Z型异质结)或导电材料(全固态Z型异质结)作为电荷转移和分离的穿梭器.然而,具有更强氧化还原能力的光生载流子会优先与该离子对反应或通过导电材料复合,使氧化还原能力下降.S型异质结通过费米能级差产生的电荷转移形成内建电场,在光照下,内建电场促使氧化还原能力较弱的电子-空穴对结合,而保留氧化还原能力强的电子-空穴对,增强光生载流子的传递分离与光催化剂的活性.目前,Cheng等(Adv.Mater.,2021,33,2100317)通过原位生长硫化镉(CdS)与芘-三苯胺交替共聚物(PT),形成一种无机有机梯型(S型)复合异质结光催化剂(CP).负载了1％ Pt助催化剂的2％ PT/CdS光催化剂显示出高达9.28 mmol h-1 g-1的产氢速率,较好的性能归因于S型异质结的高电子-空穴分离效率和强氧化还原活性.利用开尔文探针和原位光照X射线光电子能谱(ISI-XPS)研究了S型异质结的电子转移机理.在光照下,CdS的电势升高而PT的电势降低,说明CdS中的光生电子转移至PT与其中的光生空穴结合,这与S型异质结的电子转移机理是一致的.CdS的ISI-XPS谱图结果表明,在黑暗条件下,CP中Cd 3d和S2p的结合能低于它们在CdS中的结合能,说明有电子净流入CdS使其结合能降低;在光照下,Cd 3d和S2p的结合能则升高,说明电子由CdS转移至PT中.该S型异质结光催化剂成功光催化分解水制氢的案例表明,该研究方向具有潜力.
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