江苏师范大学韩锡光教授课题组ACS Catal：核壳In2Se3纳米反应器增强光催化分离载流子- 大数跨境

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江苏师范大学韩锡光教授课题组ACS Catal：核壳In2Se3纳米反应器增强光催化分离载流子

科学材料站

2021-10-21

导读：该观点文章分析了独特的York−Shell结构In2Se3@N-C纳米反应器可提供高比表面积，多重光反射，提高光致电荷载流子分离效率和空间分离的氧化还原活性位点。

文章信息

一维核壳In2Se3@N-C 光催化纳米反应器用于增强空间分离的光致电荷载流子

第一作者：沈秋艳

通讯作者：韩锡光，展雯雯

单位：江苏师范大学

研究背景

半导体上的光催化有机转化可以提供一种在温和条件下合成增值化合物的有效策略。设计半导体成分的策略主要是在空间上分离电荷载流子,与另一半导体或氧化还原助催化剂异质结构的半导体可以为界面之间的电荷载流子提供受控的转移路径，从而导致电子和空穴的空间定向转移。

然而，这些策略受到电荷转移界面的随机分布、氧化还原活性中心的短距离以及异质结构中组分的不均匀尺寸分布的影响。因此，通过半导体异质结构的形态进行合理的工程设计对于成功分离和迁移电荷载流子非常重要。

本篇观点展示了In2Se3@N-C YSR独特的核壳结构可以作为光催化反应的纳米反应器，提供多次光反射和具有更大比表面积提供大量催化活性位点。In2Se3空间位置和氮掺杂碳层促进了电荷载流子的分离与迁移。因此，In2Se3@N-C YSR可以对涉及光诱导电子和空穴的有机转化具有更优异的性能。本文方法为光催化有机转化领域合理设计性能更好的精细复合光催化剂提供了一条新途径。

文章简介

在这里，来自江苏师范大学韩锡光教授课题组，在国际知名期刊ACS Catalysis上发表题为“Spatially Separated Photoinduced Charge Carriers for the Enhanced Photocatalysis Over the One-Dimensional Yolk−Shell In2Se3@N‑C Nanoreactor”的观点文章。

该观点文章分析了独特的York−Shell结构In2Se3@N-C纳米反应器可提供高比表面积，多重光反射，提高光致电荷载流子分离效率和空间分离的氧化还原活性位点。

文章要点

要点一：In2Se3@N-C催化剂的制备与表征

In2Se3@N-C YSR 的合成过程如图 1a 所示。以 MIL-68-In 六边形纳米棒作为初始前驱体，In2Se3@N-C YSR通过两步策略获得：即蚀刻和随后的硒化过程。如图1b所示，首先获得了具有高均匀性和光滑表面的MIL-68-In实心六边形纳米棒。

使用单宁酸 (TA) 作为刻蚀剂，MIL-68-In 实心棒可以转化为具有松散结构的 MIL-68-In 纳米棒（图 1c ）。TEM 图像显示松散的MIL-68-In空心的结构，通过选择松散的MIL-68-In纳米棒作为后续硒化过程的牺牲模板，可以获得In2Se3@N-C YSR。

扫描电子显微镜 (SEM) 和 TEM 图像 (图 1d) 显示最终产品保持了具有York-Shell结构的均匀棒形貌。最终产品的 XRD 图案（图 1e）证实了 In2Se3 相的存在。拉曼光谱（图 1f）在 1348 cm-1处呈现 D 带，在 1562cm-1（与石墨碳相关）处呈现 G 带。

此外，In2Se3@N-C YSRs 中的多孔York-Shell结构可以产生 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 表面积约为 71.5 m2/g（图 1g），孔径分布分别约为 3.5、4.8 和 7.4 nm。

Figure 1. (a) In2Se3@N-C YSR 合成过程. (b) MIL-68-In 前驱物的SEM 和 TEM (c)刻蚀之后 MIL-68-In-nanorods 的SEM and TEM (d) SEM and TEM images of In2Se3@N-C YSR. (e) XRD pattern of In2Se3@N-C YSR. (f) Raman spectrum of In2Se3@N-C YSR. (g) N2 adsorption-desorption curves of In2Se3@N-C YSR and the pore size distribution.

HAADF-STEM图像（图2e）和相应的EDS元素分布图In2Se3@N-C YSR（图2f−i）证实了，In2Se3@N-C YSR内核主要由In和Se元素组成，而C和N元素主要分布在外壳上，这表明所获得的晶体结构In2Se3@N-C YSR纳米棒由内部的In2Se3纳米片组成，并由缺陷石墨碳层包围。

此外，在碳层中形成了N元素作为掺杂剂，通过射线光电子能谱（XPS）数据可以证实。通过上述分析证实In2Se3@N-C YSR是York−Shell纳米棒，其中In2Se3纳米片主要位于内芯，N掺杂碳层已形成壳层。

Figure 2. (a) Typical low-magnification TEM image of In2Se3@N-C YSR nanorods. (b) and (c) Magnified TEM images of In2Se3@N-C YSR. (d) HRTEM image of In2Se3@N-C YSR related with the yellow box in (c). (e-i) STEM image and the corresponding EDS elemental mapping of In, Se, C and N elements.

Figure 3. High-resolution XPS spectra of In2Se3@N-C YSR, (a) C 1s, (b) N 1s, (c) In 3d, (d) Se 3d.

要点二：In2Se3@N-C YSR纳米反应器的光催化性能测试

Figure 4. (a) Photocatalytic equation and condition of selective oxidation of benzylamine to N-benzylidenebenzylamine. (b) The yields of N-benzylidenebenzylamine with In2Se3@N-C YSR, In2Se3@N-C PR, In2Se3/N-C and pure In2Se3 as the photocatalysts. (c) Recyclability of In2Se3@N-C YSR in oxidation of benzylamine. (d) Reaction yields of various amine substrates over In2Se3@N-C YSR under visible-light irradiation.

结果表明In2Se3@N-C YSR纳米反应器具有优异的光催化苄胺氧化为亚胺性能，氧化为亚胺的产率达98%，比In2Se3@N-C PR，In2Se3/N-C以及In2Se3产率都高，并且具有良好的循环稳定性和对于大多数底物，都可以获得产率高于85%的良好活性。

要点三：In2Se3@N-C YSR纳米反应器的机理研究

Figure 5. The band decomposed charge densities of (a) the VBM-2 and (b) CBM. (c) The schematic illustration of In2Se3@N-C YSR as the photocatalyst and nanoreactor. (d) Photo-current density data, (e) time-resolved PL spectra, and (f) EIS Nyquist plots of the four samples.

密度泛函理论计算发现In2Se3@N-C YSR纳米反应器VBM-2的电荷分布局限于In2Se3中，并且极少数电荷局限于碳材料上。然而，CBM的电荷密度分布与此相反,，认为In2Se3 CB中的电子可以容易地传输到N掺杂C层。因此，In2Se3和掺杂碳在独特York-Shell中的空间分离位置可以导致光诱导电子和空穴在纳米尺度上的空间分离。

要点四：前瞻

该研究不仅为设计高效光催化剂用于分离电荷载流子提供了新的策略，而且为光催化有机转化领域合理设计性能更好的精细复合光催化剂提供了一条新途径。

文章链接

Spatially Separated Photoinduced Charge Carriers for the Enhanced Photocatalysis Over the One-Dimensional Yolk−Shell In2Se3@N‑C Nanoreactor

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c03360

通讯作者简介

韩锡光教授。

江苏省杰出青年基金获得者。入选江苏省“青蓝工程”青年骨干教师，江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人。主要从事新能源材料制备和应用方面的研究，聚焦于具有光电活性的微纳米材料表界面结构控制研究领域，开发具有高效光催化和电催化活性的催化材料。以通讯作者或第一作者在《Nat. Commun.》、《J. Am. Chem. Soc.》、《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Adv. Energy Mater》、《ACS Catal.》、《Nano Energy》等业界公认的国际重要科技期刊发表学术论文70余篇，其中在影响因子大于10的刊物发表论文18篇, 所发表论文先后被国内外学者引用4000余次，其中J. Am. Chem. Soc单篇引用超过1200次，个人H指数28。授权发明专利6项。荣获“江苏省高校自然科学奖”（1/3），获“淮海科学技术奖”（1/3）。指导硕士研究生获得江苏省优秀硕士毕业论文1篇。

展雯雯副教授。

2010年本科毕业于兰州大学化学与化工学院，博士师从郑兰荪院士，2004-2006年期间在日本产业技术综合研究所公派交流。主要从事功能复合催化剂的制备及具有特定形貌的功能材料的设计合成。近年来主持和完成国家自然科学基金等项目3项，在JACS, ACS Catal.和Small等国外知名学术期刊上发表SCI论文10余篇。论文被别人引用的总次数为600余次，单篇论文引用次数为395次。荣获“江苏省教育科学研究成果奖”和“第六届淮海科学技术奖”。

第一作者简介

沈秋艳，江苏师范大学化学与材料科学学院2019级研究生。

目前主要研究方向为通过对半导体材料表界面结构的设计来构筑具有高效光催化活性的催化剂，以第一作者身份在ACS Catalysis, Inorganic Chemistry期刊发表论文两篇。

课题组介绍

https://www.x-mol.com/groups/Han-Xiguang

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