林森：“三位一体”矿物复合光催化材料分解水制氢【JMCA，2021】

发布时间：2022-04-28       阅读：0次

煤、石油和天然气等传统能源的过渡消耗，同时伴随各种环境污染问题的出现正制约着社会经济的可持续发展，研究与开发新型绿色能源技术具有重要意义。利用半导体作为催化剂，通过转化自然界太阳光成为氢气的光催化水分解技术被视为未来缓解能源与环境问题最具应用前景的战略技术之一。硫化物因其较强的可见光吸收能力和合适的半导体带隙结构一直被视为光解水产氢领域的理想光催化剂，然而光生载流子易复合、光腐蚀现象严重等问题限制了其光催化性能。研究发现，将光催化剂与具有合适比表面积的矿物相结合构建矿物复合材料是改善半导体光催化性能的有效手段，同时研究发现利用外界电场来调控铁电半导体的自发极化电场能够有效促进光生载流子的分离效率，然而针对硫化物铁电体-矿物复合材料构建以及通过外界电场调控硫化物晶体自发极化电场促进材料光催化性能的研究仍鲜有报道。

针对上述问题，我校材料科学与工程学院博士生林森在“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队张以河教授和黄洪伟教授指导下，首先采用静电自组装法将CdS铁电纳米颗粒负载于具有特殊中空纳米管状结构矿物埃洛石表面，同时利用汞灯和电晕极化装置对所制矿物复合材料进行原位光还原和电晕极化处理，详细研究了经矿物表面负载、表面阴离子缺陷构建以及外界电场调控对于材料光解水产氢性能的影响，并深入探讨了三者促进硫化物光催化产氢活性提高的协同增益机理，主要研究结论如下：

1. 采用静电自组装、原位光化学还原以及电晕极化三步法制备得到三位一体极化的Cd/CdS/埃洛石矿物复合材料。

2. 所制Cd/CdS/埃洛石矿物复合材料表现出优异的光解水产氢性能，可见光（λ≥420 nm）条件下最佳产氢速率达到32.11 mmol g^-1 h^-1，较纯CdS提高33倍，在420 nm光激发下量子效率达45.13%。

3. 三位一体Cd/CdS/埃洛石矿物复合材料的构建不仅提高了CdS纳米颗粒的分散性，同时外界电场对晶体自发极化电场的调控以及表面阴离子缺陷的构建促进了CdS铁电体体相和表面光生载流子的分离效率，三者之间的协同增益作用共同提高了矿物复合材料光解水产氢性能。

图1：CdS及其埃洛石复合材料微观形貌、晶体结构和表面价态分析

图2：CdS及其埃洛石复合材料光催化产氢速率和表观量子效率

图3：CdS及其埃洛石复合材料铁电性能表征与光生载流子迁移示意图

上述研究成果发表在材料化学领域国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》：Sen Lin, Shutao Li, Yihe Zhang*, Tianyi Ma*, Hongwei Huang*. All-in-one polarized Cd/CdS/halloysite ferroelectric hybrid for exceptional photocatalytic hydrogen evolution. J. Mater. Chem. A. 2021, 9(33): 17936. [IF2021=12.732]

全文链接：https://doi.org/10.1039/D1TA05247K