Identification of Charge Transfer Pathways in Metal-Organic Framework- Derived Ni-CNT/ZnIn2S4 Heterojunctions for Photocatalytic Hydrogen Evolution

Kezhen Lai Fengyan Li Ning Li Yangqin Gao Lei Ge

Citation:  Kezhen Lai, Fengyan Li, Ning Li, Yangqin Gao, Lei Ge. Identification of Charge Transfer Pathways in Metal-Organic Framework- Derived Ni-CNT/ZnIn2S4 Heterojunctions for Photocatalytic Hydrogen Evolution[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(1): 230401. doi: 10.3866/PKU.WHXB202304018 shu

金属-有机骨架衍生的Ni-CNT/ZnIn2S4异质结用于光催化产氢及其电荷转移途径的确定

    通讯作者: 戈磊, gelei@cup.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2021YFA1501300

    国家重点研发计划 2019YFC1907602

    国家自然科学基金 51572295

    国家自然科学基金 21273285

    国家自然科学基金 21003157

摘要: 氢气是缓解环境污染和能源短缺的零污染绿色能源,利用太阳能诱导半导体裂解水制氢是最环保的方法之一。本文以MOFs衍生的Ni-CNT(Ni修饰的碳纳米管)作为非贵金属助催化剂,通过简单的油浴法原位生长ZnIn2S4纳米片合成了Ni-CNT/ZnIn2S4。在Ni-CNT/ZnIn2S4中,Ni纳米颗粒包裹在CNT的顶部和横截面上,有效地阻止了Ni纳米颗粒的团聚。Ni-CNT/ZnIn2S4异质结构具有紧密的接触界面,有利于电荷转移,可作为高效的析氢光催化剂。38Ni-CNT/ZnIn2S4样品具有最佳的产氢性能(12267 μmol·h−1·g−1),约为纯ZnIn2S4的6.4倍,且在420 nm单色光下其表观量子效率达到11.3%。X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)结果证实了Ni-CNT/ZnIn2S4异质结构的存在。电化学测试表明,Ni-CNT与ZnIn2S4的结合促进了光生电荷的转移,有效地阻止了光生载流子的快速复合,从而增强了ZnIn2S4的析氢性能。电子自旋共振(ESR)结果进一步证明了Ni-CNT助催化剂的存在延长了ZnIn2S4光生电荷的寿命,促进了光生电荷和空穴的分离效率。通过密度泛函理论计算探索并确定了异质结界面中的电荷转移途径。Ni、CNT和ZnIn2S4费米能级的差异导致界面处电荷发生迁移从而形成内嵌电场,ZnIn2S4的能带向下弯曲,促进光生电子从ZnIn2S4流向Ni-CNT电子受体。平面平均电子密度差结果证实了热电子从Ni转移至CNT再转移至ZnIn2S4,表明光生电子转移途径为ZnIn2S4 → CNT → Ni。此外,吸附H*吉布斯自由能(ΔGH*)和晶体轨道哈密顿布居(COHP)结果表明Ni纳米颗粒可作为析氢反应的活性位点,促进了产氢效率。本工作将为开发低成本、高效的非贵金属光催化制氢催化剂提供新的策略。

English

    1. [1]

      Turner, J. A. Science 2004, 305, 972. doi: 10.1126/science.1103197

    2. [2]

      Li, Y.; Zhang, H.; Xu, T.; Lu, Z.; Wu, X.; Wan, P.; Sun, X.; Jiang, L. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 1737. doi: 10.1002/adfm.201404250

    3. [3]

      Abe, J. O.; Popoola, A. P. I.; Ajenifuja, E.; Popoola, O. M. Int. J. Hydrog. Energy 2019, 44, 15072. doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.04.068

    4. [4]

      Armaroli, N.; Balzani, V. ChemSusChem 2011, 4, 21. doi: 10.1002/cssc.201000182

    5. [5]

      Ball, M.; Wietschel, M. Int. J. Hydrog. Energy 2009, 34, 615. doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.11.014

    6. [6]

      Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238, 37. doi: 10.1038/238037a0

    7. [7]

      Hashimoto, K.; Irie, H.; Fujishima, A. Jpn. J. Appl. Phys. 2005, 44, 8269. doi: 10.1143/JJAP.44.8269

    8. [8]

      Li, X. L.; Yang, G. Q.; Li, S. S.; Xiao, N.; Li, N.; Gao, Y. Q.; Lv, D.; Ge, L. Chem. Eng. J. 2020, 379, 122350. doi: 10.1016/j.cej.2019.122350

    9. [9]

      Li, X. L.; He, R. B.; Dai, Y. J.; Li, S. S.; Xiao, N.; Wang, A. X.; Gao, Y. Q.; Li, N.; Gao, J. F.; Zhang, L. H.; et al. Chem. Eng. J. 2020, 400, 125474. doi: 10.1016/j.cej.2020.125474

    10. [10]

      Zhang, Y.; Yun, S.; Sun, M.; Wang, X.; Zhang, L.; Dang, J.; Yang, C.; Yang, J.; Dang, C.; Yuan, S. J. Colloid Interface Sci. 2021, 604, 441. doi: 10.1016/j.jcis.2021.06.152

    11. [11]

      Cao, S.; Yu, J.; Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A.; Mousavi, M.; Ghasemi, J. B.; Xu, F. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 17174. doi: 10.1039/D2TA05181H

    12. [12]

      Wang, L.; Yang, T.; Peng, L.; Zhang, Q.; She, X.; Tang, H.; Liu, Q. Chin. J. Catal. 2022, 43, 2720. doi: 10.1016/S1872-2067(22)64133-0

    13. [13]

      Gou, X.; Cheng, F.; Shi, Y.; Zhang, L.; Peng, S.; Chen, J.; Shen, P. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7222. doi: 10.1021/ja0580845

    14. [14]

      Bai, J.; Chen, W.; Shen, R.; Jiang, Z.; Zhang, P.; Liu, W.; Li, X. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 112, 85. doi: 10.1016/j.jmst.2021.11.003

    15. [15]

      Gao, B.; Chen, W.; Liu, J.; An, J.; Wang, L.; Zhu, Y.; Sillanpää, M. J. Photochem. Photobiol. A 2018, 364, 732. doi: 10.1016/j.jphotochem.2018.07.008

    16. [16]

      Song, Y.; Zhang, J.; Dong, X.; Li, H. Energy Technol. 2021, 9 (5), 2100033. doi: 10.1002/ente.202100033

    17. [17]

      Peng, S.; Wu, Y.; Zhu, P.; Thavasi, V.; Ramakrishna, S.; Mhaisalkar, S. G. J. Mater. Chem. 2011, 21, 15718. doi: 10.1039/C1JM12432C

    18. [18]

      Sun, L.; Qi, Y.; Jia, C. J.; Jin, Z.; Fan, W. Nanoscale 2014, 6, 2649. doi: 10.1039/C3NR06104C

    19. [19]

      Zhou, P.; Zhang, Q.; Xu, Z.; Shang, Q.; Wang, L.; Chao, Y.; Li, Y.; Chen, H.; Lv, F.; Zhang, Q.; et al. Adv. Mater. 2020, 32 (7), 1904249. doi: 10.1002/adma.201904249

    20. [20]

      Xiao, N.; Li, S.; Li, X.; Ge, L.; Gao, Y.; Li, N. Chin. J. Catal. 2020, 41, 642. doi: 10.1016/S1872-2067(19)63469-8

    21. [21]

      Ha, Y.; Shi, L.; Yan, X.; Chen, Z.; Li, Y.; Xu, W.; Wu, R. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 45546. doi: 10.1021/acsami.9b13580

    22. [22]

      Luo, S.; Li, X.; Zhang, B.; Luo, Z.; Luo, M. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 26891. doi: 10.1021/acsami.9b07100

    23. [23]

      Jiang, J.; Liu, Q.; Zeng, C.; Ai, L. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 16929. doi: 10.1039/C7TA04893

    24. [24]

      Zhao, H.; Yuan, Z. -Y. Catal. Sci. Technol. 2017, 7, 330. doi: 10.1039/C6CY01719C

    25. [25]

      Li, X.; Gao, Y.; Li, N.; Ge, L. Int. J. Hydrog. Energy 2022, 47, 27961. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.06.119

    26. [26]

      Guo, Y.; Tang, J.; Wang, Z.; Kang, Y. -M.; Bando, Y.; Yamauchi, Y. Nano Energy 2018, 47, 494. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.03.012

    27. [27]

      Zeng, Z.; Su, Y.; Quan, X.; Choi, W.; Zhang, G.; Liu, N.; Kim, B.; Chen, S.; Yu, H.; Zhang, S. Nano Energy 2020, 69, 104409. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104409

    28. [28]

      Jiang, K.; Siahrostami, S.; Zheng, T.; Hu, Y.; Hwang, S.; Stavitski, E.; Peng, Y.; Dynes, J.; Gangisetty, M.; Su, D.; et al. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 893. doi: 10.1039/C7EE03245E

    29. [29]

      Gao, J.; Zhang, F.; Xue, H.; Zhang, L.; Peng, Y.; Li, X.; Gao, Y.; Li, N.; Lei, G. Appl. Catal. B 2021, 281, 119509. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119509

    30. [30]

      Sun, Z.; Wang, Y.; Zhang, L.; Wu, H.; Jin, Y.; Li, Y.; Shi, Y.; Zhu, T.; Mao, H.; Liu, J.; et al. Adv. Funct. Mater. 2020, 30 (15), 1910482. doi: 10.1002/adfm.201910482

    31. [31]

      Yu, H.; Fisher, A.; Cheng, D.; Cao, D. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 21431. doi: 10.1021/acsami.6b04189

    32. [32]

      Chen, Z.; Wu, R.; Liu, Y.; Ha, Y.; Guo, Y.; Sun, D.; Liu, M.; Fang, F. Adv. Mater. 2018, 30 (30), 1802011. doi: 10.1002/adma.201802011

    33. [33]

      Joya, K. S.; Sinatra, L.; AbdulHalim, L. G.; Joshi, C. P.; Hedhili, M. N.; Bakr, O. M.; Hussain, I. Nanoscale 2016, 8, 9695. doi: 10.1039/C6NR00709K

    34. [34]

      Yang, L.; Shi, L.; Wang, D.; Lv, Y.; Cao, D. Nano Energy 2018, 50, 691. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.06.023

    35. [35]

      Zou, H.; Li, G.; Duan, L.; Kou, Z.; Wang, J. Appl. Catal. B 2019, 259, 118100. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118100

    36. [36]

      沈荣晨, 郝磊, 陈晴, 郑巧清, 张鹏, 李鑫. 物理化学学报, 2022, 38 (7), 2110014. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110014Shen, R. C.; Hao, L.; Chen, Q.; Zheng, Q. Q.; Zhang, P.; Li, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38 (7), 2110014. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110014

    37. [37]

      Li, S.; Gao, Y.; Li, N.; Ge, L.; Bu, X.; Feng, P. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 1897. doi: 10.1039/D0EE03697H

    38. [38]

      Lu, Z.; Wang, J.; Huang, S.; Hou, Y.; Li, Y.; Zhao, Y.; Mu, S.; Zhang, J.; Zhao, Y. Nano Energy 2017, 42, 334. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.11.004

    39. [39]

      Sun, M.; Li, Z.; Liu, Y.; Guo, D.; Xie, Z.; Huang, Q. Int. J. Hydrog. Energy 2020, 45, 31892. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.08.213

    40. [40]

      Di, T.; Zhang, L.; Cheng, B.; Yu, J.; Fan, J. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 170. doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.032

    41. [41]

      Xie, Y.; Feng, C.; Guo, Y.; Li, S.; Guo, C.; Zhang, Y.; Wang, J. Appl. Surf. Sci. 2021, 536, 147786. doi: 10.1016/j.apsusc.2020.147786

    42. [42]

      Wu, K.; Wu, C.; Bai, W.; Li, N.; Gao, Y.; Ge, L. Colloids Surf. A 2023, 663, 131089. doi: 10.1016/j.colsurfa.2023.131089

    43. [43]

      Li, X.; Song, S.; Gao, Y.; Ge, L.; Song, W.; Ma, T.; Liu, J. Small 2021, 17 (31), 2101315. doi: 10.1002/smll.202101315

    44. [44]

      Lu, P.; Yang, Y.; Yao, J.; Wang, M.; Dipazir, S.; Yuan, M.; Zhang, J.; Wang, X.; Xie, Z.; Zhang, G. Appl. Catal. B 2019, 241, 113. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.09.025

    45. [45]

      Liu, H.; Zhang, J.; Ao, D. Appl. Catal. B 2018, 221, 433. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.09.043

    46. [46]

      Zhu, Y.; Chen, J.; Shao, L.; Xia, X.; Liu, Y.; Wang, L. Appl. Catal. B 2020, 268, 118744. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118744

    47. [47]

      张怡宁, 高明, 陈松涛, 王会琴, 霍鹏伟. 物理化学学报, 2023, 39 (6), 2211051. doi: 10.3866/PKU.WHXB202211051Zhang, Y. N.; Gao, M.; Chen, S. T.; Wang, H. Q.; Huo, P. W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (6), 2211051. doi: 10.3866/PKU.WHXB202211051

    48. [48]

      Wang, S.; Wang, Y.; Zhang, S. L.; Zang, S. Q.; Lou, X. W. Adv. Mater. 2019, 31 (41), 1903404. doi: 10.1002/adma.201903404

    49. [49]

      Li, Z.; He, H.; Cao, H.; Sun, S.; Diao, W.; Gao, D.; Lu, P.; Zhang, S.; Guo, Z.; Li, M.; et al. Appl. Catal. B 2019, 240, 112. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.08.074

    50. [50]

      Li, T.; Luo, G.; Liu, K.; Li, X.; Sun, D.; Xu, L.; Li, Y.; Tang, Y. Adv. Funct. Mater. 2018, 28 (51), 1805828. doi: 10.1002/adfm.201805828

    51. [51]

      Liu, C.; Yang, Z.; Li, Y. RSC Adv. 2016, 6, 32983. doi: 10.1039/C6RA00984K

    52. [52]

      Tang, J. Y.; Yang, D.; Zhou, W. G.; Guo, R. T.; Pan, W. G.; Huang, C. Y. J. Catal. 2019, 370, 79. doi: 10.1016/j.jcat.2018.12.009

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  7
  • 文章访问数:  1266
  • HTML全文浏览量:  72
文章相关
  • 发布日期:  2024-01-15
  • 收稿日期:  2023-04-06
  • 接受日期:  2023-05-22
  • 修回日期:  2023-05-20
  • 网络出版日期:  2023-05-31
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