贵州大学陈鹏课题组界面化学键调控ZnIn2S4-x-WO3-x的电子耦合用以增强光催化降解污染物联立析氢- 大数跨境

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贵州大学陈鹏课题组界面化学键调控ZnIn2S4-x-WO3-x的电子耦合用以增强光催化降解污染物联立析氢

科学材料站

2023-11-10

导读：贵州大学陈鹏课题组 Applied Catalysis B: Environmental观点：界面化学键调控ZnIn2S4-x-WO3-x的电子耦合用以增强光催化降解污染物联立析氢

文章信息

界面化学键调控ZnIn₂S_4-x-WO_3-x的电子耦合用以增强光催化降解污染物联立析氢

第一作者：孙小梅

通讯作者：刘飞*，赵天翔*，尹双凤*，陈鹏*

单位：贵州大学，湖南大学

研究背景

随着科学技术的快速发展，能源危机和环境污染被视为当今社会的两大威胁。特别是具有高毒性和难降解的有机污染物，为研究人员提供了一个具有挑战性的课题。幸运的是，光催化降解有机污染物耦合析氢(PPH)有望成为生产清洁能源和解决环境污染问题的双赢策略。然而，大多数工作仍然依赖于使用单一模型有机物，昂贵的助催化剂(如Pt)，或补充牺牲性和添加剂，这严重阻碍了其平衡发展PPH。因此，开发高效的催化系统并为PPH提供明确的协同机制是至关重要的。

三元金属硫化物ZnIn₂S₄由于其合适的带隙和良好的化学稳定性，在光催化降解和析氢领域引起了极大的关注。然而，单个半导体仍然面临着诸如电荷的快速复合和缓慢的氧化动力学等挑战。值得注意的是，构建包含氧化光催化剂的直接Z型异质结已被证明可以改善电荷传输和光催化活性。氧化钨(WO₃)是一种典型的n型半导体，具有可见光吸收、无毒、氧化能力强等优点，是构建直接Z型光催化剂以充分利用氧化还原性能的理想材料。本文揭示了界面键如何调控电子结构，增强异质结的兼容性，以增大内建电场促进电子转移。

文章简介

近日，来自贵州大学陈鹏课题组，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Interfacial chemical bond regulating the electronic coupling of ZnIn₂S_4-x-WO_3-x for enhancing the photocatalytic pollutions degradation coupled with hydrogen evolution”的观点文章。该文章分析了一种具有超薄纳米片结构和双空位的ZnIn₂S_4-x-WO_3-x Z型异质结通过简单的原位水热策略设计并合成。实验结果和DFT计算表明，双空位诱导了界面键的形成。重要的是，界面键极大地调节了电子结构，以增强异质结的兼容性，这有助于在界面处扩大激子解离的内置电场，用于电荷转移。

Fig.1. 光催化降解联立产氢机理图

本文要点

要点一：通过简单的原位水热法合成了具有超薄纳米片结构的ZnIn₂S_4-x-WO_3-x Z型异质结材料

通过把片状的WO₃纳米颗粒加入ZnIn₂S₄的原溶液中，原位水热法合成了ZnIn₂S_4-x-WO_3-x（ZW）。

Fig 2. (a) ZW的合成示意图；(b) ZW-4的SEM图; (c)ZW-4的TEM 图和(d-e)TEM放大图; (f-j) 元素扫面图。

要点二：双空位诱导了界面键的形成

通过对ZW进行了XPS，稳态荧光，EPR以及球差电镜测试，证明了ZW同时具有硫空位和氧空位。理论计算表明，双空位可以诱导界面键的形成。

Fig 3. (a) 所制备样品的拉曼光谱; (b) 不含硫空位和氧空位的RZW的层间距; (c) 具有硫空位和氧空位的RZW的层间距。(d) 具有硫空位和氧空位的ZW的层间距; (e) In 3d，(f) Zn 2p，(g) W 4f，(h) O 1s和(i) S 2p的高分辨XPS图谱; (j) WO₃、ZIS、RZW和ZW-4的EPR; (k) HAADF-STEM图像和(l) ZW-4的模型。

要点三：界面键调节了电子结构，以扩大内建电场和减少聚集效应

通过表面电势和Zeta电位的测试，证实了ZW比RZW的内建电场大的多，同时也说明界面键调控了电子结构，扩大了内建电场。稳态，瞬态和变温荧光证明，界面键可以加速其激子的解离，加速了电子和空穴的分离。

Fig 4. (a) 紫外-可见漫反射光谱，(b) 表面电势，(c) 内建电场，(d) 稳态PL，(e) 瞬态荧光，(f) 变温荧光，(g) 所制备的催化剂的光电流响应光谱；(h) 态密度(PDOS)，(i)表面活性位点上的电荷，(j) ZW的电荷密度差，(k) 制备样品的电子转移示意图。

要点四：ZnIn₂S_4-x-WO_3-x Z型异质结构表现出优异的催化性能和稳定性。

实验结果证明，我们所制备的材料具有优异的光催化产氢性能（737.75 μmol g⁻¹ h⁻¹）和光催化降解性能（降解率 > 99.99%）。除此之外，材料的稳定性也得到了很好的证明（通过反应前后的XRD和XPS）。为了探究我们所制备材料的普适性，对其他有机污染物也进行了实验，实验结果证明，我们所制备的材料不仅对罗丹明B有很好的降解性能，同时也适用于其他有机污染物。

Fig 5. (a) 所制备样品的H2生成速率; (b) H2生成和Rh B降解速率; (c) ZW-4不同波长的量子效率; (d) ZW-4在光催化产氢过程中的稳定性; (e) 结晶紫(CV)、四环素(TC)和甲基橙(MO)的降解率和产氢量; (f) DFT计算H2生成的吉布斯自由能。

要点五：总结与展望

综上所述，通过简单的原位水热法合成了超薄ZnIn₂S_4-x-WO_3-xZ型异质结构(ZW)。此外，双空位诱导了界面键的形成。实验结果和DFT计算证明了界面的存在。首先，ZnIn₂S_4-x-WO_3-x的强电子耦合作用扩大了内建电场，降低了界面空位中电荷的聚集效应，这有助于促进电荷通过界面转移和激子解离。另一方面，它不仅提高了表面反应活性，而且为降低催化能垒提供了活性位点。最终，优化后的ZW-4在可见光照射下表现出737.75 μmol g⁻¹ h⁻¹的优异光催化析氢性能，并且在不使用任何助催化剂的情况下，污染物降解率大于99.99%。我们希望这项研究将为在解决环境污染和能源危机方面具有巨大潜力的直接Z型异质结的设计和应用提供新的视角。

文章链接

Interfacial chemical bond regulating the electronic coupling of ZnIn₂S_4-x-WO_3-x for enhancing the photocatalytic pollutions degradation coupled with hydrogen evolution

https://www.x-mol.com/paper/1717713486526304256/t?adv

通讯作者简介

刘飞教授简介：刘飞，贵州大学化学与化工学院教授，博士，省管专家、贵州省百层次人才、贵州省优秀青年科技人才培养对象，获贵州省青年科技奖、贵州省优秀科技工作者等荣誉称号。曾在中国科学院从事博士后研究工作，于 2015-2016 年期间在牛津大学化学系访学研究。领衔建设贵州省能源资源转化技术科技创新人才团队，致力于碳基小分子催化转化及新能源材料设计开发。以通讯作者身份在J MATER CHEM A, CHEM ENG J, CHEM ENG SCI等学术刊物上发表多篇研究论文，获授权发明专利 10 余件，获贵州省科技进步奖2项。

陈鹏博士简介：陈鹏，贵州大学化学与化工学院特聘教授，化学工程与技术学术学科带头人，致力于光催化小分子转化、废水处理、重金属脱除等研究。在Materials today, APPL CATAL B: ENVIRON, CHEM ENG SCI等国内外学术刊物上发表50余篇研究论文。

赵天翔 博士简介：贵州大学化学与化工学院讲师，学术学科带头人，硕士研究生导师。近五年来，以第(共)一作者/通讯作者在Nat. Catal.、Angew. Chem. Int. Ed.、AIChE J.、Appl. Catal. B Environ.、Chem. Eng. J.等杂志发表SCI论文40余篇，授权国家发明专利3项。

尹双凤 教授简介：尹双凤，湖南大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，湖南省121人才工程第一层次人才，现任湖南大学科学技术研究院院长、先进催化教育部工程研究中心主任。研究方向主要为工业催化、低碳资源催化转化新工艺技术。迄今为止，在国内外学术期刊发表论文210余篇，申请发明专利80余件(授权50余件)，获湖南自然科学奖一等奖1项(第一完成人)、中国石油和化学工业联合会青年科技突出贡献奖、中国催化委员会均相催化青年奖、中国化工学会侯德榜化工科技青年奖等奖励。

第一作者简介

现就读于贵州大学化学化工学院，硕士研究生，研究光催化半导体转化领域。

课题组介绍

贵州大学化学与化工学院陈鹏课题组，致力于光催化小分子转化、废水处理、重金属脱除等研究。在Materials today, APPL CATAL B: ENVIRON, CHEM ENG SCI等国内外学术刊物上发表50余篇研究论文。