Ni, Co-Based Selenide Anchored g-C3N4 for Boosting Photocatalytic Hydrogen Evolution

Zhiliang Jin Yanbing Li Xuqiang Hao

Citation:  Zhiliang Jin, Yanbing Li, Xuqiang Hao. Ni, Co-Based Selenide Anchored g-C3N4 for Boosting Photocatalytic Hydrogen Evolution[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(10): 191203. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912033 shu

Ni, Co基硒化物修饰g-C3N4光催化产氢研究

    通讯作者: 李彦兵, 1757039358@qq.com
    郝旭强, haoxuqiang@126.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21862002

    国家自然科学基金 41663012

    北方民族大学重大科研项目“清洁能源催化生产中的新技术、新体系” ZDZX201803

摘要: 新型高效的催化剂是突破单体光催化材料载流子低分离和转移效率的重要途径。本文将Ni3Se4和CoSe2纳米粒子锚定在具有良好分散性的g-C3N4纳米片表面,合成了两种新的g-C3N4@Ni3Se4和g-C3N4@CoSe2光催化剂并实现了原位光催化析氢。相当严重的载流子的重组导致g-C3N4单体展现了大约只有1.9 μmol·h-1的极差的光催化析氢活性。Ni3Se4和CoSe2纳米颗粒对于加速载流子快速分离和转移的独特作用使得在g-C3N4表面负载Ni3Se4和CoSe2纳米粒子极大地提高了其产氢活性。G-C3N4@Ni3Se4展示了一个大约16.4 μmol·h-1的光催化产氢活性并且g-C3N4@CoSe2展现了一个大约25.6 μmol·h-1的光催化产氢活性,这分别是g-C3N4单体的8倍和13倍。其中,将Ni3Se4和CoSe2与g-C3N4耦合可以显著提高光吸收密度以及扩展光响应范围。激发态EY在g-C3N4@Ni3Se4和g-C3N4@CoSe2存在时比在g-C3N4存在时展现了更低的荧光强度,并且在g-C3N4@Ni3Se4和g-C3N4@CoSe2体系中可观察到最大的电子转移速率。相比g-C3N4@Ni3Se4@FTO和g-C3N4@CoSe2@FTO电极,g-C3N4@@FTO显现了最小的光电流响应密度和最大的电化学,这表明在g-C3N4纳米片表面引入Ni3Se4和CoSe2纳米颗粒增强了光生载流子的分离和转移效率,即基于g-C3N4的金属硒化的合成有效地抑制了光生载流子的复合以及促进了光催化水裂解制氢反应。同时,吸收带边的红移有效地降低了光激电子从价带到导带跃迁的阈值。此外,g-C3N4@Ni3Se4和g-C3N4@CoSe2复合催化剂的zeta电位比g-C3N4的更负,说明样品表面对质子增强的吸附。并且密度泛函理论结果表明:g-C3N4中N位点对H的吸附能为-0.22 eV,还发现氢原子更倾向于吸附在两个硒原子的桥位点上形成Se―H―Se键,并且吸附能为1.53 eV。所有对样品进行的透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)、瞬态光电流、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)等相关表征都展示了彼此匹配的结果。

English

    1. [1]

      Fang, Y. X.; Xu, Y. T.; Li, X. C.; Ma, Y. W.; Wang, X. C. Angew. Chem. Int. Edit. 2018, 57, 9749. doi: 10.1002/anie.201804530

    2. [2]

      Cui, Y.; Pan, Y. X.; Qin, H. L.; Cong, H. P.; Yu, S. H. Small Methods 2018, 2, 1800029. doi: 10.1002/smtd.201800029

    3. [3]

      Batmunkh, M.; Shrestha, A.; Bat-Erdene, M.; Nine, M. J.; Shearer, C. J.; Gibson, C. T.; Slattery, A. D.; Tawfik, S. A.; Ford, M. J.; Dai, S.; et al. Angew. Chem. Int. Edit. 2018, 57, 2644. doi: 10.1002/anie.201712280

    4. [4]

      Zhang, F.; Zhuang, H. Q.; Song, J.; Men, Y. L.; Pan, Y. X.; Yu, S. H. Appl. Catal. B: Environ. 2018, 226, 103. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.12.046

    5. [5]

      Fu, J. W.; Xu, Q. L.; Low, J. X.; Jiang, C. J.; Yu, J. G. Appl. Catal. B: Environ. 2019, 243, 556. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.11.011

    6. [6]

      Zheng, M.; Cao, X. H.; Ding, Y.; Tian, T.; Lin, J. Q. J. Catal. 2018, 363, 109. doi: 10.1016/j.jcat.2018.04.022

    7. [7]

      Nocera, D. G. Acc. Chem. Res. 2017, 50, 616. doi: 10.1021/acs.accounts.6b00615

    8. [8]

      Zheng, M.; Ding, Y.; Yu, L.; Du, X. Q.; Zhao, Y. K. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1605846. doi: 10.1002/adfm.201605846

    9. [9]

      Zhao, Y. F.; Zhao, Y. X.; Waterhouse, G. I. N.; Zheng, L. R.; Cao, X. Z.; Teng, F.; Wu, L. Z.; Tung, C. H.; Hare, D. O.; Zhang, T. R. Adv. Mater. 2017, 29, 1703828. doi: 10.1002/adma.201703828

    10. [10]

      Li, H.; Sun, Y.; Yuan, Z. G.; Zhu, Y. P.; Ma, T. Y. Angew. Chem. Int. Edit. 2018, 57, 3222. doi: 10.1002/anie.201712925

    11. [11]

      Zhu, M. S.; Kim, S. Y.; Mao, L.; Fujitsuka, M.; Zhang, J. Y.; Wang, X. C.; Majima, T. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13234. doi: 10.1021/jacs.7b08416

    12. [12]

      Li, Y. X.; Li, H.; Li, Y. F.; Peng, S. Q.; Hu, Y. H. Chem. Eng. J. 2018, 344, 506. doi: 10.1016/j.cej.2018.03.117

    13. [13]

      Ye, P.; Liu, X. L.; Iocozzia, J.; Yuan, Y. P.; Gu, L.; Xu, G. S.; Lin, Z. Q. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 8493. doi: 10.1039/C7TA01031A

    14. [14]

      She, X. J.; Wu, J. J.; Zhong, J.; Xu, H.; Yang, Y. C.; Vajtai, R.; Lou, J.; Liu, Y.; Du, D. L.; Li, H. M.; Ajayan, P. M. Nano Energy 2016, 27, 138. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.06.042

    15. [15]

      Cao, S, W.; Low, J. X.; Yu, J. G.; Jaroniec, M. Adv. Mater. 2015, 27, 2150. doi: 10.1002/adma.201500033

    16. [16]

      Hao, X. Q.; Wang, Y. C.; Zhou, J.; Cui, Z. W.; Wang, Y.; Zou, Z. G. Appl. Catal. B: Environ. 2018, 221, 302. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.09.006

    17. [17]

      Chen, J.; Shen, S. H.; Guo, P. H.; Wang, M.; Wu, P.; Wang, X. X.; Guo, L. J. Appl. Catal. B: Environ. 2014, 152–153, 335. doi: 10.1016/j.apcatb.2014.01.047

    18. [18]

      Feng, C. C.; Wang, Z. H.; Ma, Y.; Zhang, Y. J.; Wang, L.; Bi, Y. P. Appl. Catal. B: Environ. 2017, 205, 19. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.12.014

    19. [19]

      Chen, J.; Shen, S. H.; Wu, P.; Guo, L. J. Green Chem. 2015, 17, 509. doi: 10.1039/C4GC01683A

    20. [20]

      Wang, Q. Z.; Shi, Y. B.; Du, Z. Y.; He, J. J.; Zhong, J. B.; Zhao, L. C.; She, H. D.; Liu, G.; Su, B. T. Eur. J. Inorg. Chem. 2015, 24, 4108. doi: 10.1002/ejic.201500552

    21. [21]

      Zhai, C. Y.; Sun, M. J.; Zeng, L. X.; Xue, M. Q.; Pan, J. G.; Du, Y. K.; Zhu, M. S. Appl. Catal. B: Environ. 2019, 243, 283. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.10.047

    22. [22]

      Yang, H.; Jin, Z. L.; Hu, H. Y.; Bi, Y. P.; Lu, G. X. Appl. Surf. Sci. 2018, 427, 587. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.09.021

    23. [23]

      Ding, C. M.; Shi, J. Y.; Wang, Z. L.; Li, C. ACS Catal. 2017, 7, 675. doi: 10.1021/acscatal.6b03107

    24. [24]

      Wang, G. R.; Jin, Z. L. Appl. Surf. Sci. 2019, 467–468, 1239. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.10.239

    25. [25]

      Wang, H. Y.; Wang, G. R.; Liu, Z. W.; Jin, Z. L. Mol. Catal. 2018, 453, 1. doi: 10.1016/j.mcat.2018.04.028

    26. [26]

      Chao, Y. G.; Zhou, P.; Li, N.; Lai, J. P.; Yang, Y.; Zhang, Y. L.; Tang, Y. H.; Yang, W. X.; Du, Y. P.; Su, D.; et al. J. Adv. Mater. 2018, 31, 1807226. doi: 10.1002/adma.201807226

    27. [27]

      Yang, Y.; Kang, Y. K.; Zhao, H. H.; Dai, X. P.; Cui, M. L.; Luan, X. B.; Zhang, X.; Nie, F.; Ren, Z. T.; Song, W. Y. Small 2019, 16, 1905083. doi: 10.1002/smll.201905083

    28. [28]

      Wang, P. W.; Pu, Z. H.; Li, W. Q.; Zhu, J. W.; Zhang, C. T.; Zhao, Y. F.; Mu, S. C. J. Catal. 2019, 377, 600. doi: 10.1016/j.jcat.2019.08.005

    29. [29]

      Sun, Y. Q.; Xu, K.; Wei, Z. X.; Li, H. L.; Zhang, T.; Li, X. Y.; Cai, W. P.; Ma, J. M.; Fan, H. J.; Li, Y. Adv. Mater. 2018, 30, 1802121. doi: 10.1002/adma.201802121

    30. [30]

      Tang, C.; Cheng, N. Y.; Pu, Z. H.; Xing, W.; Sun, X. P. Angew. Chem. Int. Edit. 2015, 54, 9351. doi: 10.1002/anie.201503407

    31. [31]

      Che, Y. P.; Lu, B. X.; Qi, Q.; Chang, H. Q.; Zhai, J.; Wang, K. F.; Liu, Z. Y. Sci. Rep. 2018, 8, 16504. doi: 10.1038/s41598-018-34287-w

    32. [32]

      Liu, Y. N.; Shen, C. C.; Jiang, N.; Zhao, Z. W.; Zhou, X.; Zhao, S. J.; Xu, A. W. ACS Catal. 2017, 7, 8228. doi: 10.1021/acscatal.7b03266

    33. [33]

      Wu, X. H.; Chen, F. Y.; Wang, X. F.; Yu, H. G. Appl. Surf. Sci. 2018, 427, 645. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.08.050

    34. [34]

      Akple, M. S.; Low, J. X.; Wageh, S.; Ghamdi, A. A. A.; Yu, J. G.; Zhang, J. Appl. Surf. Sci. 2015, 358, 196. doi: 10.1016/j.apsusc.2015.08.250

    35. [35]

      Li, Y. B.; Jin, Z. L.; Zhang, L. J.; Fan, K. Chin. J. Catal. 2019, 40, 390. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63173-0

    36. [36]

      Xu, M.; Han, L.; Dong, S. J. ACS Appl. Mater. Inter. 2013, 5, 12533. doi: 10.1021/am4038307

    37. [37]

      Meng, J.; Lan, Z. Y.; Chen, T.; Lin, Q. Y.; Liu, H.; Wei, X.; Lu, Y. H.; Li, J. X.; Zhang, Z. J. Phys. Chem. 2018, 122, 24725. doi: 10.1021/acs.jpcc.8b07014

    38. [38]

      Kang, Y. Y.; Yang, Y. Q.; Yin, L. C.; Kang, X. D.; Liu, G.; Cheng, H, M. Adv. Mater. 2015, 27, 4572. doi: 10.1002/adma.201501939

    39. [39]

      Han, Q.; Zhao, F.; Hu, C. G.; Lv, L. X.; Zhang, Z. P.; Chen, N.; Qu, L. T. Nano Res. 2015, 8, 1718. doi: 10.1007/s12274-014-0675-9

    40. [40]

      Liang, Q. H.; Li, Z.; Huang, Z. H.; Kang, F. Y.; Yang, Q. H. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 6885. doi: 10.1002/adfm.201503221

    41. [41]

      Zhang, G.G.; Zhang, M. W.; Ye, X. X.; Qiu, X. Q.; Lin, S.; Wang, X. C. Adv. Mater. 2014, 26, 805. doi: 10.1002/adma.201303611

    42. [42]

      Wang, H. Y.; Jin, Z. L.; Hao, X. Q. Dalton Trans. 2019, 48, 4015. doi: 10.1039/C9DT00586B

    43. [43]

      Xing, Z. C.; Liu, Q.; Asiri, A. M.; Sun, X. P. Adv. Mater. 2014, 26, 5702. doi: 10.1002/adma.201401692

    44. [44]

      Li, H. Y.; Gao, D.; Cheng, X. Electrochim. Acta 2014, 138, 232. doi: 10.1016/j.electacta.2014.06.065

    45. [45]

      Zhang, H. X.; Yang, B.; Wu, X. L.; Li, Z. J.; Lei, L. C.; Zhang, X. W. ACS Appl. Mater. Inter. 2015, 7, 1772. doi: 10.1021/am507373g

    46. [46]

      Elbanna, O.; Fujitsuka, M.; Majima, T. ACS Appl. Mater. Inter. 2017, 9, 34844. doi: 10.1021/acsami.7b08548

    47. [47]

      Lin, Z. Y.; Du, C.; Yan, B.; Wang, C. X.; Yang, G. W. Nat. Commun. 2018, 9, 4036. doi: 10.1038/s41467-018-06456-y

    48. [48]

      Liang, Q. H.; Li, Z.; Huang, Z. H.; Kang, F. Y.; Yang, Q. H. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 6885. doi: 10.1002/adfm.201503221

    49. [49]

      Tong, Z. W.; Yang, D.; Li, Z.; Nan, Y. H.; Ding, F.; Shen, Y. C.; Jiang, Z. Y. ACS Nano 2017, 11, 1103. doi: 10.1021/acsnano.6b08251

    50. [50]

      Yan, J. M.; Yi, S. S.; Wulan, B. R.; Li, S. J.; Liu, K. H.; Jiang, Q. Appl. Catal. B: Environ. 2017, 200, 477. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.07.046.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  72
  • 文章访问数:  995
  • HTML全文浏览量:  52
文章相关
  • 发布日期:  2021-10-15
  • 收稿日期:  2019-12-11
  • 修回日期:  2020-01-05
  • 网络出版日期:  2020-02-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章