Enhanced Photocatalytic H2O2 Production over Inverse Opal ZnO@Polydopamine S-Scheme Heterojunctions

Gaowei Han Feiyan Xu Bei Cheng Youji Li Jiaguo Yu Liuyang Zhang

Citation:  Gaowei Han, Feiyan Xu, Bei Cheng, Youji Li, Jiaguo Yu, Liuyang Zhang. Enhanced Photocatalytic H2O2 Production over Inverse Opal ZnO@Polydopamine S-Scheme Heterojunctions[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(7): 2112037-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202112037 shu

反蛋白石结构ZnO@PDA用于增强光催化产H2O2性能

    通讯作者: 张留洋, zhangliuyang@cug.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 52073223

    国家自然科学基金 51872220

    国家自然科学基金 51932007

    国家自然科学基金 51961135303

    国家自然科学基金 21871217

    国家自然科学基金 U1905215

摘要: 利用太阳能驱动生产高能量密度的H2O2太阳能燃料引起了广泛关注,但目前光催化剂缓慢的动力学限制了其实际应用。本文制备一种聚多巴胺(PDA)改性的反蛋白石结构ZnO(ZnO@PDA)光催化剂,用于可持续性的光催化产H2O2。由于电子的转移,因此当PDA与ZnO接触后,会在界面处形成一个从PDA指向ZnO的内建电场。在内建电场和能带弯曲的驱动下,ZnO导带中的光生电子与PDA最高占据分子轨道(HOMO)中的空穴复合,符合梯型异质结的电荷转移和分离途径。这种独特的梯型异质结确保了有效的电子或空穴的分离并且留存下具有强氧化还原能力的光生载流子。此外,与纯ZnO相比,反蛋白石结构的ZnO@PDA具有更强的光吸收能力。实验表明,归因于光吸收能力的提高,光生载流子的有效分离和强氧化还原能力,负载0.03% (原子分数) PDA的ZnO样品具有最佳的产H2O2性能(1011.4 μmol·L-1·h-1),分别是纯ZnO和PDA的4.4和8.9倍。

English

    1. [1]

      Wu, T.; He, Q.; Liu, Z.; Shao, B.; Liang, Q.; Pan, Y.; Huang, J.; Peng, Z.; Liu, Y.; Zhao, C.; et al. 2022, 424, 127177. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.127177

    2. [2]

      Lin, Y. J.; Khan, I.; Saha, S.; Wu, C. C.; Barman, S. R.; Kao, F. C.; Lin, Z. H. Nat. Commun. 2021, 12, 180. doi: 10.1038/s41467-020-20445-0

    3. [3]

      Chen, G.; Liu, J.; Li, Q.; Guan, P.; Yu, X.; Xing, L.; Zhang, J.; Che, R. Nano Res. 2019, 12, 2614. doi: 10.1007/s12274-019-2496-3

    4. [4]

      Nosaka, Y.; Nosaka, A. Y. Chem. Rev. 2017, 117, 11302. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00161

    5. [5]

      Mase, K.; Yoneda, M.; Yamada, Y.; Fukuzumi, S. Nat. Commun. 2016, 7, 11470. doi: 10.1038/ncomms11470

    6. [6]

      Disselkamp, R. S. Energy Fuels 2008, 22, 2771. doi: 10.1021/ef800050t

    7. [7]

      Yi, Y.; Wang, L.; Li, G.; Guo, H. Catal. Sci. Technol. 2016, 6, 1593. doi: 10.1039/c5cy01567g

    8. [8]

      Jia, X.; Sun, F.; Fei, Y.; Jin, M.; Zhang, F.; Xu, W.; Shi, N.; Lv, Z. 2018, 119, 218. doi: 10.1016/j.psep.2018.08.007

    9. [9]

      Song, W.; Yu, L.; Xie, X.; Hao, Z.; Sun, M.; Wen, H.; Li, Y. RSC Adv. 2017, 7, 25305. doi: 10.1039/c7ra02003a

    10. [10]

      Nishimi, T.; Kamachi, T.; Kato, K.; Kato, T.; Yoshizawa, K. Eur. J. Org. Chem. 2011, 2011, 4113. doi: 10.1002/ejoc.201100300

    11. [11]

      Fellinger, T. -P.; Hasché, F.; Strasser, P.; Antonietti, M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4072. doi: 10.1021/ja300038p

    12. [12]

      Landon, P.; Collier, P. J.; Papworth, A. J.; Kiely, C. J.; Hutchings, G. J. Chem. Commun. 2002, 2058. doi: 10.1039/b205248m

    13. [13]

      Yang, Y.; Cheng, B.; Yu, J.; Wang, L.; Ho, W. Nano Res. 2021, doi: 10.1007/s12274-021-3733-0

    14. [14]

      Wei, Z.; Liu, M.; Zhang, Z.; Yao, W.; Tan, H.; Zhu, Y. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2581. doi: 10.1039/c8ee01316k

    15. [15]

      Wang, L.; Zhang, J.; Zhang, Y.; Yu, H.; Qu, Y.; Yu, J. Small 2022, 18, 2104561. doi: 10.1002/smll.202104561

    16. [16]

      Hong, Y.; Cho, Y.; Go, E. M.; Sharma, P.; Cho, H.; Lee, B.; Lee, S. M.; Park, S. O.; Ko, M.; Kwak, S. K.; et al. Chem. Eng. J. 2021, 418, 129346. doi: 10.1016/j.cej.2021.129346

    17. [17]

      Xia, C.; Xia, Y.; Zhu, P.; Fan, L.; Wang, H. Science 2019, 366, 226. doi: 10.1126/science.aay1844

    18. [18]

      Yu, X.; Viengkeo, B.; He, Q.; Zhao, X.; Huang, Q.; Li, P.; Huang, W.; Li, Y. Adv. Sustain. Syst. 2021, 5, 2100184. doi: 10.1002/adsu.202100184

    19. [19]

      Zhang, K.; Zhou, M.; Yang, K.; Yu, C.; Mu, P.; Yu, Z.; Lu, K.; Huang, W.; Dai, W. J. Hazard. Mater. 2022, 423, 127172. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.127172

    20. [20]

      Liu, M.; Xia, H.; Yang, W.; Liu, X.; Xiang, J.; Wang, X.; Hu, L.; Lu, F. Appl. Catal. B 2022, 301, 120765. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120765

    21. [21]

      Moon, G. -H.; Kim, W.; Bokare, A. D.; Sung, N. -E.; Choi, W. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 4023. doi: 10.1039/c4ee02757d

    22. [22]

      Zhang, Y.; Xia, Y.; Wang, L.; Cheng, B.; Yu, J. Nanotechnology 2021, 32, 415402. doi: 10.1088/1361-6528/ac1221

    23. [23]

      Liu, Q.; Zhou, L.; Liu, L.; Li, J.; Wang, S.; Znad, H.; Liu, S. Compos. B Eng. 2020, 200, 108345. doi: 10.1016/j.compositesb.2020.108345

    24. [24]

      Liu, Y.; Han, J.; Qiu, W.; Gao, W. Appl. Surf. Sci. 2012, 263, 389. doi: 10.1016/j.apsusc.2012.09.067

    25. [25]

      Fu, Y.; Liu, C.; Zhang, M.; Zhu, C.; Li, H.; Wang, H.; Song, Y.; Huang, H.; Liu, Y.; Kang, Z. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1802525. doi: 10.1002/aenm.201802525

    26. [26]

      Shiraishi, Y.; Kanazawa, S.; Sugano, Y.; Tsukamoto, D.; Sakamoto, H.; Ichikawa, S.; Hirai, T. ACS Catal. 2014, 4, 774. doi: 10.1021/cs401208c

    27. [27]

      Liu, B.; Bie, C.; Zhang, Y.; Wang, L.; Li, Y.; Yu, J. Langmuir 2021, 37, 14114. doi: 10.1021/acs.langmuir.1c02360

    28. [28]

      Lee, J. H.; Cho, H.; Park, S. O.; Hwang, J. M.; Hong, Y.; Sharma, P.; Jeon, W. C.; Cho, Y.; Yang, C.; Kwak, S. K.; et al. Appl. Catal. B 2021, 284, 119690. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119690

    29. [29]

      Ghoreishian, S. M.; Ranjith, K. S.; Park, B.; Hwang, S. -K.; Hosseini, R.; Behjatmanesh-Ardakani, R.; Pourmortazavi, S. M.; Lee, H. U.; Son, B.; Mirsadeghi, S.; et al. Chem. Eng. J. 2021, 419, 129530. doi: 10.1016/j.cej.2021.129530

    30. [30]

      Wu, Y.; Gao, Z.; Feng, Y.; Cui, Q.; Du, C.; Yu, C.; Liang, L.; Zhao, W.; Feng, J.; Sun, J.; et al. Appl. Catal. B 2021, 298, 120572. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120572

    31. [31]

      Li, X.; Wang, X.; Xiao, G.; Zhu, Y. J. Colloid Interface Sci. 2021, 602, 799. doi: 10.1016/j.jcis.2021.06.068

    32. [32]

      Fuku, K.; Takioka, R.; Iwamura, K.; Todoroki, M.; Sayama, K.; Ikenaga, N. Appl. Catal. B 2020, 272, 119003. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119003

    33. [33]

      Sayed, M.; Zhu, B.; Kuang, P.; Liu, X.; Cheng, B.; Ghamdi, A. A. A.; Wageh, S.; Zhang, L.; Yu, J. Adv. Sustain. Syst. 2022, 6, 2100264. doi: 10.1002/adsu.202100264

    34. [34]

      Chen, Y.; Wang, Y.; Fang, J.; Dai, B.; Kou, J.; Lu, C.; Zhao, Y. Chin. J. Catal. 2021, 42, 184. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63588-4

    35. [35]

      Huang, X.; Hu, Y.; Zhou, L.; Lei, J.; Wang, L.; Zhang, J. J. CO2 Util. 2021, 54, 101779. doi: 10.1016/j.jcou.2021.101779

    36. [36]

      Temerov, F.; Pham, K.; Juuti, P.; Mäkelä, J. M.; Grachova, E. V.; Kumar, S.; Eslava, S.; Saarinen, J. J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 41200. doi: 10.1021/acsami.0c08624

    37. [37]

      Zheng, X.; Zhang, Z.; Meng, S.; Wang, Y.; Li, D. Chem. Eng. J. 2020, 393, 124676. doi: 10.1016/j.cej.2020.124676

    38. [38]

      Zeng, Y.; Yang, T.; Li, C.; Xie, A.; Li, S.; Zhang, M.; Shen, Y. Appl. Catal. B 2019, 245, 469. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.01.011

    39. [39]

      Wang, M.; Cui, Z.; Yang, M.; Lin, L.; Chen, X.; Wang, M.; Han, J. J. Colloid Interface Sci. 2019, 544, 1. doi: 10.1016/j.jcis.2019.02.080

    40. [40]

      Wang, H.; Lin, Q.; Yin, L.; Yang, Y.; Qiu, Y.; Lu, C.; Yang, H. Small 2019, 15, 1900011. doi: 10.1002/smll.201900011

    41. [41]

      Nie, N.; He, F.; Zhang, L.; Cheng, B. Appl. Surf. Sci. 2018, 457, 1096. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.07.002

    42. [42]

      Meng, A.; Cheng, B.; Tan, H.; Fan, J.; Su, C.; Yu, J. Appl. Catal. B 2021, 289, 120039. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120039

    43. [43]

      Xu, F.; Tan, H.; Fan, J.; Cheng, B.; Yu, J.; Xu, J. Solar RRL 2021, 5, 2000571. doi: 10.1002/solr.202000571

    44. [44]

      Wang, L.; Cheng, B.; Zhang, L.; Yu, J. Small 2021, 17, 2103447. doi: 10.1002/smll.202103447

    45. [45]

      Cheng, C.; He, B.; Fan, J.; Cheng, B.; Cao, S.; Yu, J. Adv. Mater. 2021, 33, 2100317. doi: 10.1002/adma.202100317

    46. [46]

      费新刚, 谭海燕, 程蓓, 朱必成, 张留洋. 物理化学学报, 2021, 37, 2010027. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010027Fei, X.; Tan, H., Cheng, B.; Zhu, B.; Zhang, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010027. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010027

    47. [47]

      Wang, W.; Zhao, W.; Zhang, H.; Dou, X.; Shi, H. Chin. J. Catal. 2021, 42, 97. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63602-6

    48. [48]

      Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A.; Jafer, R.; Li, X.; Zhang, P. Chin. J. Catal. 2021, 42, 667. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63705-6

    49. [49]

      李云锋, 张敏, 周亮, 杨思佳, 武占省, 马玉花. 物理化学学报, 2021, 37, 2009030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009030Li, Y.; Zhang, M.; Zhou, L.; Yang, S.; Wu, Z.; Ma, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2009030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009030

    50. [50]

      Ren, Y.; Li, Y.; Wu, X.; Wang, J.; Zhang, G. Chin. J. Catal. 2021, 42, 69. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63631-2

    51. [51]

      Li, Z.; Wu, Z.; He, R.; Wan, L.; Zhang, S. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 151. doi: 10.1016/j.jmst.2020.02.061

    52. [52]

      Wang, J.; Wang, G.; Cheng, B.; Yu, J.; Fan, J. Chin. J. Catal. 2021, 42, 56. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63634-8

    53. [53]

      Tasso Guaraldo, T.; Wenk, J.; Mattia, D. Adv. Sustain. Syst. 2021, 5, 2000208. doi: 10.1002/adsu.202000208

    54. [54]

      Li, Q.; Zhao, W.; Zhai, Z.; Ren, K.; Wang, T.; Guan, H.; Shi, H. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 216. doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.038

    55. [55]

      Swelm Wageh, Ahmed A. Al-Ghamdi, 刘丽君. 物理化学学报, 2021, 37, 2010024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010024Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A.; Liu, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010024

    56. [56]

      Li, Q.; Yang, C. Mater. Lett. 2017, 199, 168. doi: 10.1016/j.matlet.2017.04.058

    57. [57]

      Wang, L.; Tan, H.; Zhang, L.; Cheng, B.; Yu, J. Chem. Eng. J. 2021, 411, 128501. doi: 10.1016/j.cej.2021.128501

    58. [58]

      Kim, S.; Moon, G.; Kim, G.; Kang, U.; Park, H.; Choi, W. J. Catal. 2017, 346, 92. doi: 10.1016/j.jcat.2016.11.027

    59. [59]

      Chen, X.; Zhang, W.; Zhang, L.; Feng, L.; Zhang, C.; Jiang, J.; Wang, H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 25868. doi: 10.1021/acsami.1c02953

    60. [60]

      Feng, C.; Tang, L.; Deng, Y.; Wang, J.; Luo, J.; Liu, Y.; Ouyang, X.; Yang, H.; Yu, J.; Wang, J. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2001922. doi: 10.1002/adfm.202001922

    61. [61]

      Zhang, M.; Li, Y.; Chang, W.; Zhu, W.; Zhang, L.; Jin, R.; Xing, Y. Chin. J. Catal. 2022, 43, 526. doi: 10.1016/S1872-2067(21)63872-X

    62. [62]

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

    63. [63]

      Landge, V. K.; Sonawane, S. H.; Sivakumar, M.; Sonawane, S. S.; Uday Bhaskar Babu, G.; Boczkaj, G. Sustain. Energy Technol Assess. 2021, 45, 101194. doi: 10.1016/j.seta.2021.101194

    64. [64]

      梅子慧, 王国宏, 严素定, 王娟. 物理化学学报, 2021, 37, 2009097. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009097Mei, Z.; Wang, G.; Yan, S.; Wang, J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2009097. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009097

    65. [65]

      Zhang, L.; Zhang, J.; Yu, H.; Yu, J. Adv. Mater. 2022, 34, 2107668. doi: 10.1002/adma.202107668

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  151
  • HTML全文浏览量:  23
文章相关
  • 发布日期:  2022-07-15
  • 收稿日期:  2021-12-29
  • 接受日期:  2022-01-14
  • 修回日期:  2022-01-12
  • 网络出版日期:  2022-01-18
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