文 章 信 息
精准调控S空位含量的肖特基异质结促进光催化析氢！
第一作者：许明华
通讯作者：崔小强，阮晓文, Sai Kishore Ravi
研 究 背 景
光催化水分解是一种很有前景的制备清洁氢气（一种高能量密度燃料）的技术。ZnIn2S4（记为：ZIS）是一种典型的硫化物光催化剂，具有二维层状结构，在光催化研究中引起了广泛的关注。虽然以往的研究中已经证明了ZIS中的 S 空位可以充当电子陷阱来富集电子来增强光催化产氢性能，但对于ZIS中S空位不同含量调节的详细研究并未报道，因此补充该处研究的空缺是有必要的。
文 章 简 介
基于此，吉林大学材料科学与工程学院崔小强教授和香港城市大学的Sai Kishore Ravi教授与阮晓文博士在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Modulation of Sulfur Vacancies in ZnIn2S4/MXene Schottky Heterojunction Photocatalyst Promotes Hydrogen Evolution”的文章（DOI：10.1002/adfm.202402330），报道了一种优化S空位含量的ZnIn2S4(ZIS)，并与MXene助催化剂结合形成肖特基结的复合半导体光催化材料（ZMX）。补足了有关ZIS中S空位的控制和调节的相关研究，表明了适度水平的S空位确实可以增强其光催化析氢效率，但过量的S空位会阻碍氢气的析出，强调了S空位含量调控的重要性，为设计具有空位可控和肖特基异质结的制备提供了新的视野。
本 文 要 点
要点一：ZIS 和 ZMX 的形貌和晶体结构表征。
研究人员通过改变反应前体TAA的含量，制备并研究了不同硫空位（Sv）含量的ZIS。理论计算表明，具有适量硫空位的ZIS（ZIS-M）具有最有利的氢吸附自由能。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像和透射电子显微镜（TEM）图像证明了ZMX催化剂的成功合成。
图1. a) ZMX光催化剂中S空位调控与MXene助催化协同效应示意图。b-e) 无S空位和S空位含量低、适中和过高的 ZIS 模型。f) 计算具有不同S空位水平的ZIS的氢吸附吉布斯自由能（P、M和R分别代表低、中和高S空位含量）。g) ZIS 和 ZIS-X 的 EPR 光谱。h) ZMX 的 HRTEM 图像。i-m) ZMX 的 EDS 元素映射图像。
要点二：制备光催化剂的光催化析氢性能研究
和设想的一样，具有适度硫空位的ZIS（ZIS-M）展示了最高的析氢速率。并且将优化的ZIS-M与不同比例的MXene助催化剂结合，形成的ZMX-M催化剂展示了更高的光催化析氢速率，超过了很多先前报道的基于ZnIn2S4的光催化剂。
图 2. a) 原始ZIS和ZIS-X随时间变化的光催化析氢曲线。b) ZIS-M和ZMX-X的光催化产氢速率。c）ZMX-M与之前的基于ZIS的光催化剂相比的光催化析氢速率。d) ZMX-M的循环测试。e) ZMX-M负载不同Pt负载量的产氢速率。
要点三：催化剂组成和光生载流子动力学研究
XPS结果显示，不同空位的ZIS中S元素的结合能显示了S空位的存在并可以作为电子陷阱。ZMX-X催化剂中Zn和S元素的结合能随着MXene含量的增加而向更高结合能方向移动，表明光生电子的转移方向是从ZIS转移到MXene上。这一点在功函数计算上也可以得到很好的解释。
图 3. ZIS-X 的 a) Zn 2p、b) S 2p 和 c) ZMX-X 的 Zn 2p、d) S 2p 的XPS光谱。(e-f) 分别是MXene和ZIS-M的功函数。
要点四：光催化剂的电荷传输特性
ZMX-M催化剂展示了最高的光电流强度，最小的阻抗半径，最强的稳态/瞬态表面光电压信号，表明其增强的电荷分离效率。非原位/准原位ESR信号进一步证实了ZMX-M催化剂在光照下可以产生更多的光生载流子。
图 4.a) 瞬态光电流曲线。b)电化学阻抗图。c) 稳态表面光电压和 d) 瞬态光电压图谱。e-f） ZIS-M和ZMX-M的ESR信号。g-h）ZMX-M的羟基和超氧自由基的准原位ESR信号。
要点五：能带结构和载流子迁移率分析
Mott–Schottky（M–S）测试表明ZIS-X是一个典型的n型半导体。通过分析带隙和M-S曲线，得到了该光催化剂的能带结构，显示了肖特基结的形成。飞秒超快吸收（fs-TA）光谱显示了载流子寿命的降低，进一步证实了ZMX-M催化剂在光激发下的高效电子转移。
图 5.a) 紫外-可见光谱。b) Tauc 图。c) ZIS-X 催化剂的莫特-肖特基图。d) 能带结构示意图。e-f) ZIS-M、h-i) ZMX-M 催化剂的瞬态吸收光谱。g) ZIS-M、j) ZMX-M 催化剂在 400 nm 激光激发后的归一化瞬态吸收动力学。
文 章 链 接
Modulation of Sulfur Vacancies in ZnIn2S4/MXene Schottky Heterojunction Photocatalyst Promotes Hydrogen Evolution
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402330
通 讯 作 者 简 介
崔小强教授
崔小强教授是吉林大学“唐敖庆学者”卓越教授，材料科学与工程学院副院长。主要研究方向为能源催化材料，开展绿氢制备等高效催化剂的原子级设计和制备研究。成果连续发表在Nat. Commun.（x3）、 Adv. Mater.（x3）、J. Am. Chem. Soc.（x2） 、Angew. Chem. Int. Ed (x3)、Chem、Matter等学科顶级期刊，被多次正面引用。主持科技部国家重点研发计划纳米专项课题（1项，712万）、国家自然科学基金面上项目（5项）等多个项目。已发表SCI检索论文180篇，SCI他引8000余次，H因子54。授权发明专利33项。获教育部“新世纪优秀人才”计划支持、吉林省“长白山学者”、长春市第六、七批有突出贡献专家，吉林省第七批拔尖创新人才第三层次。
阮晓文博士
阮晓文博士，2023年毕业于吉林大学材料物理与化学专业。2023年加入香港城市大学能源及环境学院任博士后，合作导师是Sai Kishore RAVI教授。主要从事光降解污染物、光解水制氢、CO2还原的新型低维材料的构建及性能研究。近五年，以第一/通讯作者在Advanced Materials (x3), Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials (x2) 等国际知名期刊上发表20余篇文章，其中3篇入选ESI高被引/热点论文。
Sai Kishore RAVI教授
Sai教授是香港城市大学助理教授。博士毕业于新加坡国立大学，之后在新加坡国立大学担任研究员。Sai教授的研究兴趣包括：(1) 太阳能燃料（半人工光合作用、绿色氢气、光催化/生物催化CO2还原）；(2) 光介导/生物催化水处理、废水转化为能源技术、太阳能脱盐；(3) 可持续生物电子（生物电容器、自供电触觉传感器和电子纸）；(4) 功能性纳米纤维（空气过滤器、电子纺织品和个人热管理）。迄今在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy & Environmental Science, Nature Communications, and Science Advances等国际著名期刊上发表论文，多个专利。
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看