《文章投稿》LDH前驅(qū)體制備的NiCoP納米片修飾ZnCdS復(fù)合催化劑用于高效光催化析氫

1. 文章信息

標(biāo)題：Highly efficient photocatalytic hydrogen production by ZnCdS composite catalyst modified with NiCoP nanosheets prepared by LDH precursor

中文標(biāo)題：LDH前驅(qū)體制備的NiCoP納米片修飾ZnCdS復(fù)合催化劑用于高效光催化析氫

頁碼：416-425

DOI：10.1016/j.jcis.2023.06.112

2. 文章鏈接

https://www.sciencedirect。。ｃｏｍ/science/article/abs/pii/S0021979723011396

3. 期刊信息

期刊名：Journal of Colloid and Interface Science

ISSN：1095-7103

2023年影響因子：9.965

分區(qū)信息： JCR分區(qū)：Q1

涉及研究方向：綜合性期刊

4. 作者信息：第一作者是趙佳樂。通訊作者為王其召，佘厚德。

5. 正文中標(biāo)記產(chǎn)品所在位置截圖

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6. 文章簡介：

利用太陽能驅(qū)動分解水產(chǎn)生氫氣是實(shí)現(xiàn)緩解全球能源短缺和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展一種有效途徑，由于缺少高效光催化劑制約了這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，開發(fā)具有高活性、穩(wěn)定性和低成本的光催化劑對推動光催化分解水制氫技術(shù)的進(jìn)步用具有重要意義。廉價的過渡金屬磷化物作為一種有望替代貴金屬的材料，在光催化水分解過程中引起了廣泛關(guān)注。這類助催化劑已證明其有效性，并在光催化分解水制氫領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。另一方面，二維過渡金屬磷化物助催化劑在改善金屬硫化物催化劑的光催化水分解性能方面顯示出巨大潛力，近年來引起了廣泛興趣，這是由于二維結(jié)構(gòu)材料具有較大的比表面積和豐富的活性位點(diǎn)，且可以提升材料光生載流子的分離遷移效率，因此在光催化分解水制氫中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，二維材料過渡金屬磷化物的合成主要通過水熱法和液相剝離法實(shí)現(xiàn)。然而，這些常規(guī)方法存在產(chǎn)率低、層厚、制備條件苛刻等局限性。此外，通過自上而下的剝離方法將二維過渡金屬磷化物剝離成薄層是不可行的，因?yàn)檫@些材料本身是非層狀的。因此，制備具有納米片結(jié)構(gòu)的二維過渡金屬磷化物仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

鑒于此，西北師范大學(xué)王其召教授團(tuán)隊(duì)制備了一種NiCoP納米片裝飾的ZnCdS光催化劑，其中二維NiCoP納米片是通過磷化共沉淀法制備的NiCo-LDH前驅(qū)體而得到的，這種二維結(jié)構(gòu)加速了光生載流子的分離遷移效率，有效提升了光催化分解水析氫的速率。具有二維結(jié)構(gòu)的NiCoP-ZnCdS復(fù)合催化劑與水熱法制備的非二維結(jié)構(gòu)的NiCoP-ZnCdS復(fù)合催化劑和ZnCdS相比，光催化性能分別提高了2.6倍和17.3倍，達(dá)到了1370 μmol h-1 g-1，表觀量子產(chǎn)率（AQY）達(dá)到 30.74%。為了證明二維結(jié)構(gòu)有利于光生載流子的分離和遷移，研究團(tuán)隊(duì)利用瞬態(tài)表面光電壓（TPV）研究了ZnCdS、水熱NiCoP-ZnCdS和二維NiCoP-ZnCdS的光生載流子復(fù)合動力學(xué)，并利用光電壓衰減測定了材料載流子的TPV壽命(τ)。結(jié)果顯示，ZnCdS (τ3)、水熱NiCoP-ZnCdS (τ2)和二維NiCoP-ZnCdS (τ1)的τ分別為160、226和245µs。可以看出，具有二維結(jié)構(gòu)的NiCoP-ZnCdS復(fù)合材料，載流子壽命得到了有效延長，這意味著可以有更多的載流子參與反應(yīng)。通過比較表面光電壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，二維結(jié)構(gòu)的NiCoP-ZnCdS相比ZnCdS和水熱NiCoP-ZnCdS具有zui hao 的光生載流子分離效率。隨后ZnCdS、水熱NiCoP-ZnCdS和二維結(jié)構(gòu)的NiCoP-ZnCdS的瞬態(tài)光電流測試和電化學(xué)阻抗測試也進(jìn)一步證實(shí)了光生載流子分離和遷移速率的提升。最后通過密度泛函理論（DFT）計算研究了復(fù)合材料中可能的光催化反應(yīng)機(jī)理和活性位點(diǎn)。計算結(jié)果表明，Co是反應(yīng)的活性位點(diǎn)，ZnCdS和NiCoP的功函數(shù)計算表明，ZnCdS導(dǎo)帶中的光生電子可以轉(zhuǎn)移到NiCoP的費(fèi)米能級處，從而促進(jìn)電子-空穴對的分離，加快光催化水分離制氫的效率。該研究成果為高效分解水制氫光催化劑的設(shè)計提供了新思路。相關(guān)研究成果以“Highly efficient photocatalytic hydrogen production by ZnCdS composite catalyst modified with NiCoP nanosheets prepared by LDH precursor”為題發(fā)表在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊，王其召教授為該論文的通訊作者，佘厚德教授為該論文的共同通訊作者。

圖1. (a-b) ZnCdS和(d-e) ZnCdS-8% NiCoP的SEM圖像；(c, f) ZnCdS-8%NiCoP的TEM圖像和(g-l) EDS圖像。

圖2. ZnCdS-8%NiCoP復(fù)合材料的高分辨XPS光譜(a) Zn 2p, (b) Cd 3d, (c) S 2p，(d) Ni 2p, (e) Co 2p, (f) P 2p。

圖3. (a) ZnCdS和ZnCdS-x%NiCoP的UV-vis DRS圖，(b) ZnCdS的能帶結(jié)構(gòu)，(c) ZnCdS和ZnCdS-8%NiCoP的帶隙圖，(d) ZnCdS的M-S圖。

圖4. 樣品的(a) PL光譜，(b)歸一化TPV光譜，(c)瞬態(tài)光電流響應(yīng)和(d)電化學(xué)阻抗譜。

圖5. (a) 二維ZnCdS-x%NiCoP，(b) 水熱ZnCdS-x%NiCoP催化劑的光催化產(chǎn)氫率，(c)不同樣品的比較。(d) 420 nm光照射下ZnCdS-8%NiCoP的H2產(chǎn)率和AQY。

圖6. (a) HER的自由能圖，(b) ZnCdS-NiCoP的電荷密度差，(c) NiCoP， (d) ZnCdS， (e) ZnCdS-NiCoP沿c方向的功函數(shù)。

原文鏈接：https://www.sciencedirect。。ｃｏｍ/science/article/abs/pii/S0021979723011396

Zhao Jiale, Li Kexin, She Houde, Zhang Yang, Huang Jingwei, Wang Lei, Cheng Feixiang, Wang Qizhao. Highly efficient photocatalytic hydrogen production by ZnCdS composite catalyst modified with NiCoP nanosheets prepared by LDH precursor[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2023, 649: 416-425.