Constructing 1D/2D Schottky-Based Heterojunctions between Mn0.2Cd0.8S Nanorods and Ti3C2 Nanosheets for Boosted Photocatalytic H2 Evolution

Zhimin Jiang Qing Chen Qiaoqing Zheng Rongchen Shen Peng Zhang Xin Li

Citation:  Jiang Zhimin, Chen Qing, Zheng Qiaoqing, Shen Rongchen, Zhang Peng, Li Xin. Constructing 1D/2D Schottky-Based Heterojunctions between Mn0.2Cd0.8S Nanorods and Ti3C2 Nanosheets for Boosted Photocatalytic H2 Evolution[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(6): 2010059-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010059 shu

1D Mn0.2Cd0.8S纳米棒/2D Ti3C2纳米片肖特基异质结的构建及光催化产氢性能研究

    通讯作者: 张鹏, zhangp@zzu.edu.cn
    李鑫, Xinliscau@yahoo.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 51502269

    国家自然科学基金 51972287

    广东省重大科技研发计划 2017B020238005

    国家自然科学基金 51672089

    国家自然科学基金(51672089, 51972287, 51502269), 广东省重大科技研发计划(2017B020238005), 华南农业大学丁颖人才计划资助

摘要: 开发低成本的半导体光催化剂以实现可见光下高效、持久的光催化分解水产氢化是一个非常具有挑战性的课题。近年来, 1D MnxCd1-xS纳米结构由于载流子扩散路径短,长径比高,具有优异的光吸收、电荷分离和H2析出活性,而广泛地应用在光催化H2析出应用中。然而,单一的MnxCd1-xS光催化剂仍然存在着一些缺点,如光生电子-空穴对的快速复合和量子效率低等。为了进一步促进光生电荷载流子的分离和H2释放动力学,采用原位溶剂热法合成了Mn0.2Cd0.8S纳米棒(MCS NRs)和Ti3C2 MXene纳米片(NSs)之间的1D/2D肖特基异质结。采用各种表征方法深入地研究了金属Ti3C2 MXene NSs在Mn0.2Cd0.8S纳米棒上促进光催化H2进化的关键作用和潜在机制。通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、元素分布图和X射线光电子能谱(XPS)等测试手段,证实成功地构建了低成本的肖特基杂质结,并将其应用于光催化产氢反应中。此外,在Na2SO3和Na2S混合牺牲剂溶液中,进行了光催化析氢反应。优化后的1D/2D肖特基异质结的最高析氢速率为15.73 mmol·g-1·h-1,比纯MCS NRs (2.34 mmol·g-1·h-1)高6.72倍。在420 nm处获得了19.6%的表观量子效率(AQE)。稳定性测试结果表明,二元光催化剂具有良好的光催化稳性性及广阔的应用前景。更有趣的是,紫外-可见漫反射光谱、光致发光(PL)光谱、瞬态光电流响应和极化曲线谱都清楚地证实了MCS NRs和Ti3C2 MXene纳米片之间的有效电荷分离。线性扫描伏安法(LSV)也表明,MXene助催化剂的加入可以显著降低纯MCS NRs的过电位,证实2D Ti3C2 NSs可以作为电子导电桥梁,改善H2析出动力学。总之,金属Ti3C2 MXene NSs和MCS NRs之间的2D/1D杂化肖特基异质结不仅可以大大改善光生电子和空穴的分离,而且可以减少H2析出过电位,从而显著提高光催化产氢活性。希望本文的研究能为低成本肖特基异质结的构建提供新的思路,为光催化H2生产的实际应用提供参考。

English

    1. [1]

      Li, X.; Xie, J.; Jiang, C.; Yu, J.; Zhang, P. Front. Env. Sci. Eng. 2018, 12, 14. doi: 10.1007/s11783-018-1076-1

    2. [2]

      Li, X.; Yu, J.; Low, J.; Fang, Y.; Xiao, J.; Chen, X. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 2485. doi: 10.1039/C4TA04461D

    3. [3]

      Li, X.; Yu, J.; Jaroniec, M.; Chen, X. Chem. Rev. 2019, 119, 3962. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00400

    4. [4]

      Li, X.; Wen, J.; Low, J.; Fang, Y.; Yu, J. Sci. China Mater. 2014, 57, 70. doi: 10.1007/s40843-014-0003-1

    5. [5]

      Xu, F.; Meng, K.; Cheng, B.; Wang, S.; Xu, J.; Yu, J. Nat. Commun. 2020, 11, 4613. doi: 10.1038/s41467-020-18350-7

    6. [6]

      Liang, Z. Z.; Shen, R. C.; Ng, Y. H.; Zhang, P.; Xiang, Q. J.; Li, X. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 89. doi: 10.1016/j.jmst.2020.04.032

    7. [7]

      Li, L.; Liu, G.; Qi, S.; Liu, X.; Gu, L.; Lou, Y.; Chen, J.; Zhao, Y. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 23683. doi: 10.1039/c8ta08458k

    8. [8]

      Wen, J.; Li, X.; Liu, W.; Fang, Y.; Xie, J.; Xu, Y. Chin. J. Catal. 2015, 36, 2049. doi: 10.1016/s1872-2067(15)60999-8

    9. [9]

      刘志明, 刘国亮, 洪昕林.物理化学学报, 2019, 35, 215. doi: 10.3866/PKU.WHXB201803061Liu, Z. M.; Liu, G. L.; Hong, X. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 215. doi: 10.3866/PKU.WHXB201803061

    10. [10]

      张若兰, 王超, 陈浩, 赵恒, 刘婧, 李昱, 苏宝连.物理化学学报, 2020, 36, 1803014. doi: 10.3866/PKU.WHXB201803014Zhang, R. L.; Wang, C.; Chen, H.; Zhao, H.; Liu, J.; Li, Y.; Su, B. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1803014. doi: 10.3866/PKU.WHXB201803014

    11. [11]

      Ren, D.; Shen, R.; Jiang, Z.; Lu, X.; Li, X. Chin. J. Catal. 2020, 41, 31. doi: 10.1016/s1872-2067(19)63467-4

    12. [12]

      Xiong, M. H.; Yan, J. T.; Chai, B.; Fan, G. Z.; Song, G. S. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 179. doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.037

    13. [13]

      Shen, R.; Ren, D.; Ding, Y.; Guan, Y.; Ng, Y. H.; Zhang, P.; Li, X. Sci. China Mater. 2020, 63, 2153. doi: 10.1007/s40843-020-1456-x

    14. [14]

      Liu, C.; Xiong, M.; Chai, B.; Yan, J.; Fan, G.; Song, G. Catal. Sci. Technol. 2019, 9, 6929. doi: 10.1039/c9cy02045d

    15. [15]

      Wen, J.; Xie, J.; Chen, X.; Li, X. Appl. Surf. Sci. 2017, 391, 72. doi: 10.1016/j.apsusc.2016.07.030

    16. [16]

      Ren, Y. J.; Zeng, D. Q.; Ong, W. J. Chin. J. Catal. 2019, 40, 289. doi: 10.1016/s1872-2067(19)63293-6

    17. [17]

      Li, Y.; Li, X.; Zhang, H. W.; Fan, J. J.; Xiang, Q. J. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 69. doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.033

    18. [18]

      Li, Y. F.; Zhou, M. H.; Cheng, B.; Shao, Y. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 1. doi: 10.1016/j.jmst.2020.04.028

    19. [19]

      Shen, R.; Xie, J.; Zhang, H.; Zhang, A.; Chen, X.; Li, X. ACS Sustain. Chem. Eng. 2017, 6, 816. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b03169

    20. [20]

      潘金波, 申升, 周威, 唐杰, 丁洪志, 王进博, 陈浪, 区泽堂, 尹双凤.物理化学学报, 2020, 36, 1905068. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905068Pan, J. B.; Shen, S.; Zhou, W.; Tang, J.; Ding, H. Z.; Wang, J. B.; Chen, L.; Au, C. T.; Yin, S. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1905068. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905068

    21. [21]

      Shen, R. C.; Xie, J.; Xiang, Q. J.; Chen, X. B.; Jiang, J. Z.; Li, X. Chin. J. Catal. 2019, 40, 240. doi: 10.1016/s1872-2067(19)63294-8

    22. [22]

      Bai, Y.; Shi, X.; Wang, P. Q.; Xie, H.; Ye, L. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 30273. doi: 10.1021/acsami.7b10233

    23. [23]

      Mao, Q.; Chen, J. M.; Chen, H. R.; Chen, Z. J.; Chen, J. Y.; Li, Y. W. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 8472. doi: 10.1039/c8ta12526k

    24. [24]

      Shi, J.; Li, S.; Wang, F.; Li, Y.; Gao, L.; Zhang, X.; Lu, J. Catal. Sci. Technol. 2018, 8, 6458. doi: 10.1039/c8cy01884g

    25. [25]

      Zhang, J.; Qi, L.; Ran, J.; Yu, J.; Qiao, S. Z. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1301925. doi: 10.1002/aenm.201301925

    26. [26]

      Gao, R.; Cheng, B.; Fan, J.; Yu, J.; Ho, W. Chin. J. Catal. 2021, 42, 15. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63614-2

    27. [27]

      Shen, R.; Ding, Y.; Li, S.; Zhang, P.; Xiang, Q.; Ng, Y. H.; Li, X. Chin. J. Catal. 2021, 42, 25. doi: 10.1016/s1872-2067(20)63600-2

    28. [28]

      Kozlova, E. A.; Lyulyukin, M. N.; Markovskaya, D. V.; Selishchev, D. S.; Cherepanova, S. V.; Kozlov, D. V. Photochem. Photobiol. Sci. 2019, 18, 871. doi: 10.1039/c8pp00332g

    29. [29]

      Wang, S.; Wang, Y.; Zhang, S. L.; Zang, S. Q.; Lou, X. W. D. Adv. Mater. 2019, 31, 1903404. doi: 10.1002/adma.201903404

    30. [30]

      Liu, X.; Liang, X.; Wang, P.; Huang, B.; Qin, X.; Zhang, X.; Dai, Y. Appl. Catal. B-Environ. 2017, 203, 282. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.10.040

    31. [31]

      Huang, Q.-Z.; Tao, Z.-J.; Ye, L.-Q.; Yao, H.-C.; Li, Z.-J. Appl. Catal. B-Environ. 2018, 237, 689. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.06.040

    32. [32]

      Luo, J.; Lin, Z.; Zhao, Y.; Jiang, S.; Song, S. Chin. J. Catal. 2020, 41, 122. doi: 10.1016/s1872-2067(19)63490-x

    33. [33]

      Mei, F.; Li, Z.; Dai, K.; Zhang, J.; Liang, C. Chin. J. Catal. 2020, 41, 41. doi: 10.1016/s1872-2067(19)63389-9

    34. [34]

      Qin, D. R.; Xia, Y.; Li, Q.; Yang, C.; Qin, Y. M.; Lv, K. L. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 206. doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.034

    35. [35]

      Xu, Q.; Zhang, L.; Cheng, B.; Fan, J.; Yu, J. Chem 2020, 6, 1543. doi: 10.1016/j.chempr.2020.06.010

    36. [36]

      Hu, P.; Ngaw, C. K.; Tay, Y. Y.; Cao, S.; Barber, J.; Tan, T. T.; Loo, S. C. Chem. Commun. 2015, 51, 9381. doi: 10.1039/c5cc02237a

    37. [37]

      Wei, Z.; Xu, M.; Liu, J.; Guo, W.; Jiang, Z.; Shangguan, W. Chin. J. Catal. 2020, 41, 103. doi: 10.1016/s1872-2067(19)63479-0

    38. [38]

      Li, X.; Yu, J.; Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A.; Xie, J. Small 2016, 12, 6640. doi: 10.1002/smll.201600382

    39. [39]

      Li, Q.; Li, X.; Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A.; Yu, J. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500010. doi: 10.1002/aenm.201500010

    40. [40]

      Pang, J.; Mendes, R. G.; Bachmatiuk, A.; Zhao, L.; Ta, H. Q.; Gemming, T.; Liu, H.; Liu, Z.; Rummeli, M. H. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 72. doi: 10.1039/c8cs00324f

    41. [41]

      Kuang, P. Y.; Low, J. X.; Cheng, B.; Yu, J. G.; Fan, J. J. J. Mater. Sci. 2020, 56, 18. doi: 10.1016/j.jmst.2020.02.037

    42. [42]

      Cheng, L.; Li, X.; Zhang, H.; Xiang, Q. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 3488. doi: 10.1021/acs.jpclett.9b00736

    43. [43]

      Yang, Y.; Zhang, S.; Li, Y.; Fan, J.; Lv, K. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 258, 117956. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.117956

    44. [44]

      Li, K.; Zhang, S.; Li, Y.; Fan, J.; Lv, K. Chin. J. Catal. 2021, 42, 3. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63630-0

    45. [45]

      Low, J. X.; Zhang, L. Y.; Tong, T.; Shen, B. J.; Yu, J. G. J. Catal. 2018, 361, 255. doi: 10.1016/j.jcat.2018.03.009

    46. [46]

      He, F.; Zhu, B.; Cheng, B.; Yu, J.; Ho, W.; Macyk, W. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 272, 119006. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119006

    47. [47]

      Sun, Y.; Jin, D.; Sun, Y.; Meng, X.; Gao, Y.; Dall'Agnese, Y.; Chen, G.; Wang, X.-F. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 9124. doi: 10.1039/c8ta02706d

    48. [48]

      Zuo, G.; Wang, Y.; Teo, W. L.; Xie, A.; Guo, Y.; Dai, Y.; Zhou, W.; Jana, D.; Xian, Q.; Dong, W.; Zhao, Y. Angew. Chem. 2020, 59, 11287. doi: 10.1002/ange.202002136

    49. [49]

      Ran, J.; Gao, G.; Li, F.-T.; Ma, T.-Y.; Du, A.; Qiao, S.-Z. Nat. Commun. 2017, 8, 13907. doi: 10.1038/ncomms13907

    50. [50]

      Cheng, L.; Chen, Q.; Li, J.; Liu, H. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 267, 118379. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118379

    51. [51]

      Ding, M.; Xiao, R.; Zhao, C.; Bukhvalov, D.; Chen, Z.; Xu, H.; Tang, H.; Xu, J.; Yang, X. Solar RRL 2020, 2000414. doi: 10.1002/solr.202000414

    52. [52]

      Xiao, R.; Zhao, C.; Zou, Z.; Chen, Z.; Tian, L.; Xu, H.; Tang, H.; Liu, Q.; Lin, Z.; Yang, X. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 268, 118382. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118382

    53. [53]

      Yuan, W.; Cheng, L.; An, Y.; Lv, S.; Wu, H.; Fan, X.; Zhang, Y.; Guo, X.; Tang, J. Adv. Sci. 2018, 5, 1700870. doi: 10.1002/advs.201700870

    54. [54]

      Li, Y.; Ding, L.; Liang, Z.; Xue, Y.; Cui, H.; Tian, J. Chem. Eng. J. 2020, 383, 123178. doi: 10.1016/j.cej.2019.123178

    55. [55]

      Li, Y.; Ding, L.; Yin, S.; Liang, Z.; Xue, Y.; Wang, X.; Cui, H.; Tian, J. Nano-Micro. Lett. 2020, 12, 6. doi: 10.1007/s40820-019-0339-0

    56. [56]

      Min, S.; Xue, Y.; Wang, F.; Zhang, Z.; Zhu, H. Chem. Commun. 2019, 55, 10631. doi: 10.1039/c9cc05489h

    57. [57]

      Ren, D.; Liang, Z.; Ng, Y. H.; Zhang, P.; Xiang, Q.; Li, X. Chem. Eng. J. 2020, 390, 124496. doi: 10.1016/j.cej.2020.124496

    58. [58]

      Shen, R.; Zhang, L.; Chen, X.; Jaroniec, M.; Li, N.; Li, X. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 266, 118619. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118619

    59. [59]

      Alfonso-Herrera, L. A.; Huerta-Flores, A. M.; Torres Martínez, L. M.; Ramírez-Herrera, D. J.; Rivera-Villanueva, J. M. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 2020, 389, 112240. doi: 10.1016/j.jphotochem.2019.112240

    60. [60]

      Li, Y. Y.; Zhou, B. X.; Zhang, H. W.; Ma, S. F.; Huang, W. Q.; Peng, W.; Hu, W.; Huang, G. F. Nanoscale 2019, 11, 6876. doi: 10.1039/c9nr00229d

    61. [61]

      Li, Y.; Yin, Z.; Ji, G.; Liang, Z.; Xue, Y.; Guo, Y.; Tian, J.; Wang, X.; Cui, H. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 246, 12. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.01.051

    62. [62]

      Zeng, P.; Luo, J.; Wang, J.; Peng, T. Catal. Sci. Technol. 2019, 9, 762. doi: 10.1039/c8cy02266f.

    63. [63]

      Han, Y.; Dong, X.; Liang, Z. Catal. Sci. Technol. 2019, 9, 1427. doi: 10.1039/c8cy02179a

    64. [64]

      Chen, G.; Li, F.; Fan, Y.; Luo, Y.; Li, D.; Meng, Q. Catal. Commun. 2013, 40, 51. doi: 10.1016/j.catcom.2013.05.025

    65. [65]

      Jiang, X.; Gong, H.; Liu, Q.; Song, M.; Huang, C. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 268, 118439. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118439

    66. [66]

      Liu, H.; Xu, Z. Z.; Zhang, Z.; Ao, D. Appl. Catal. A-Gen. 2016, 518, 150. doi: 10.1016/j.apcata.2015.08.026

    67. [67]

      Ren, D.; Zhang, W.; Ding, Y.; Shen, R.; Jiang, Z.; Lu, X.; Li, X. Solar RRL 2020, 4, 1900423. doi: 10.1002/solr.201900423

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  22
  • HTML全文浏览量:  0
文章相关
  • 发布日期:  2021-06-15
  • 收稿日期:  2020-10-27
  • 接受日期:  2020-12-01
  • 修回日期:  2020-11-24
  • 网络出版日期:  2020-12-04
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