Hollow NiCo2S4 Nanospheres as a Cocatalyst to Support ZnIn2S4 Nanosheets for Visible-Light-Driven Hydrogen Production

Zhuang Xiong Yidong Hou Rusheng Yuan Zhengxin Ding Wee-Jun Ong Sibo Wang

Citation:  Zhuang Xiong, Yidong Hou, Rusheng Yuan, Zhengxin Ding, Wee-Jun Ong, Sibo Wang. Hollow NiCo2S4 Nanospheres as a Cocatalyst to Support ZnIn2S4 Nanosheets for Visible-Light-Driven Hydrogen Production[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(7): 2111021-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202111021 shu

空心NiCo2S4纳米球助催化剂担载ZnIn2S4纳米片用于可见光催化制氢

    通讯作者: 丁正新, zxding@fzu.edu.cn
    王伟俊, weejun.ong@xmu.edu.my
    汪思波, sibowang@fzu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2021YFA1502100

    国家自然科学基金 U1805255

    国民核生化灾害防护国家重点实验室开放基金 SKLNBC2020-18

摘要: 纳米片与空心球上之间的合理界面调控是开发高效太阳能制氢光催化剂的潜在策略。在各类光催化材料中,金属硫化物由于具有相对较窄的带隙和优越的可见光响应能力而被广泛研究。ZnIn2S4是一种层状的三元过渡金属半导体光催化剂,其带隙可控(约2.4 eV)。在众多金属硫化物光催化剂中,ZnIn2S4引起了广泛兴趣。然而,单纯的ZnIn2S4光催化活性仍然相对较差,主要是因为光生载流子的复合率较高、迁移速率较慢。在半导体光催化剂上负载助催化剂是提升光催化剂性能的一种有效方法,因为它不仅可以加速光生电子和空穴的分离,而且还可以降低质子还原反应的活化能。作为一种三元过渡金属硫化物,NiCo2S4表现出较高的导电性、较低的电负性、丰富的氧化还原特性以及优越的电催化活性。这些特性表明,NiCo2S4可以作为光催化制氢的助催化剂,以加速电荷分离和转移。此外,NiCo2S4和ZnIn2S4都属于三元尖晶石的晶体结构,这可能有助于构建具有紧密界面接触的NiCo2S4/ZnIn2S4复合物,从而提高光催化性能。本文中,将超薄ZnIn2S4纳米片原位生长到非贵金属助催化剂NiCo2S4空心球上,形成具有强耦合界面和可见光吸收的NiCo2S4@ZnIn2S4分级空心异质结构光催化剂。最优NiCo2S4@ZnIn2S4复合样品(NiCo2S4含量:ca. 3.1%)的析氢速率高达78 μmol·h-1,约是纳米片组装ZnIn2S4光催化剂析氢速率的9倍、约是1% (w, 质量分数)Pt/ZnIn2S4样品析氢速率的3倍。此外,该复合光催化剂在反应中表现出良好的稳定性。荧光和电化学测试结果表明,NiCo2S4空心球是一种有效的助催化剂,可促进光生载流子的分离和传输,并降低析氢反应的活化能。最后,提出了NiCo2S4@ZnIn2S4光催化析氢的可能反应机理。在NiCo2S4@ZnIn2S4复合光催化剂中,具有高导电性的NiCo2S4助催化剂可快速接受ZnIn2S4上的光生电子,用以还原质子生成氢气,而电子牺牲剂TEOA捕获光生空穴,进而完成光催化氧化还原循环。该研究有望为基于纳米片为次级结构的分级空心异质结光催化剂的设计合成及其光催化制氢研究提供一定的指导。

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  • 发布日期:  2022-07-15
  • 收稿日期:  2021-11-15
  • 接受日期:  2021-12-15
  • 修回日期:  2021-12-08
  • 网络出版日期:  2021-12-20
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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