李炫华AEM: 硫缺陷锌铟硫/氧缺陷氧化钨及表面碳化木头杂化构建新型光热/光催化Z-机制全解水系统

邃瞳科学云

2021-11-03

导读：本工作以C-wood为光热材料，ZIS-WO为新型光催化剂，建立了新颖的Z-机制全解水体系。

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第一作者：王一瑾、黄文静、郭绍晖

通讯作者：李炫华教授

通讯单位：西北工业大学

DOI: org/10.1002/aenm.202102452

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光催化水分解是一种将太阳能转化为化学燃料的潜在技术。目前，广泛报道的太阳能到氢能的转换效率（STH）约为1%，表明光催化全解水性能仍不理想。近日，西北工业大学李炫华团队设计一种新型光热-光催化Z型全解水反应体系。在材料设计方面，一种新型的硫缺陷锌铟硫/氧缺陷氧化钨(ZIS-WO)与表面碳化木头(C-wood)杂化促进了可见光的吸附和载流子的分离。在体系结构上，C-wood利用光热效应，通过将液态水转化为蒸汽，将固/液/气三相体系转变为固/气双相体系，极大地抑制了载流子的复合，降低了光催化反应的势垒。在该系统中，H₂和O₂的产率分别约为169.2和82.5 µmol h^-1，其STH高达1.52%。该工作从光催化剂设计到反应体系构建的研究为多功能、高性能的光催化整体水裂解提供了新的思路。

背景介绍

光催化水分解是解决各种环境问题和世界能源危机的重要途径。光催化剂需要具有足够的光吸收，有效的载流子产生和转移，以及低的反应势垒去实现优异的全解水性能。虽然已经有许多方法用于提高光催化剂的光吸收和电荷分离效率，主要有材料的结构设计和缺陷工程、杂化材料的构建和助催化剂的沉积。然而，在光催化水分解中,优异的STH效率仍然是难以实现的(广泛报道的STH效率约为1%)。

针对此，我们设计了一个高性能的光热/光催化Z-机制全解水反应体系，该体系由一种新型光催化剂ZIS-WO和C-wood构成。ZIS和WO的杂化实现了有效的光吸收和载流子的分离效率的增强。C-wood可作为桥梁加速光生载流子的转移。此外，C-wood基底可以通过光热效应有效地将液态水转化为水蒸气，形成两相反应界面。在碳桥联和两相界面的协同作用下，其STH效率达到了1.52%。通过对Fe₂O₃-C₃N₄和CdS-MoS₂-BiVO₄等典型光催化剂旋涂在木头表面的测试，验证了这种新型光热/光催化体系的普适性。

图文导读

图1. a,b ZIS和WO的SEM图像；c样品的ESR谱；d样品的UV-vis DRS光谱；e样品的SPV谱; f ZIS-WO的光催化速率图。

图2. a ZIS-WO/C-wood光热光催化系统的合成示意图；b,c ZIS-WO/C-wood的SEM和TEM图像；d, e ZIS和WO的HRTEM图像；f ZIS-WO/C-wood的不同深度的拉曼光谱; g ZIS-WO/C-wood的UV-vis DRS光谱；h ZIS-WO/C-wood的红外辐射热图像；i ZIS-WO/C-wood系统的光热光催化过程示意图。

图3. a ZIS-WO/C-wood和ZIS-WO/C光催化全解水性能图；b ZIS-WO/C-wood的UV-vis DRS谱和AQY；c ZIS-WO/C-wood的光催化循环性能图; d ZIS-WO/C-wood系统循环前后的拉曼光谱。

图4. a 三相（293K和373K）和两相光催化产氢反应的吉布斯能；b三相（293K和373K）和两相光催化产氧反应的吉布斯能；c,d ZIS-WO/C-wood和ZIS-WO的原位XPS谱；e ZIS-WO/C-wood光热光催化体系的机理图。

图5. a Fe₂O₃-C₃N₄/C-wood的SEM图；b Fe₂O₃-C₃N₄/C-wood的光催化性能图；c MoS₂-CdS-BiVO₄/C-wood的SEM图；d MoS₂-CdS-BiVO₄/C-wood的光催化性能图。

总结与展望

本工作以C-wood为光热材料，ZIS-WO为新型光催化剂，建立了新颖的Z-机制全解水体系。得益于新型光催化剂和创新体系的构建，该体系实现了光催化H₂和O₂产率分别为169.2 µmol h^-1和82.5 µmol h^-1，相应的STH效率达到1.52%。这种优异的性能是由于反应双相界面取代了典型的三相界面;同时，表面碳化木头提供额外的电子传输通道。我们的设计简单、通用、高性能，在实际应用中具有明显优势。

通讯作者介绍

李炫华，西北工业大学教授，伦敦玛丽女王大学客座教授。从事氢能与太阳能研究工作。主持国家、省部级等各类项目10余项，授权国家发明专利24项，以第一作者或通讯作者在Science Advances, Nature Commun., Chem.Soc. Rev., Energy Envrion. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Adv. Funct. Mater.等国际期刊上发表论文75篇，影响因子大于15的论文24篇，12篇文章被选为封面。入选国家万人计划“青年拔尖人才”，陕西省科技重点创新团队负责人等。

文献来源

Yijin Wang, Wenjing Huang, Shaohui Guo, Xu Xin, Youzi Zhang, Peng Guo, Songwei Tang, Xuanhua Li*，Sulfur-Deficient ZnIn₂S₄/Oxygen-Deficient WO₃Hybrids with Carbon Layer Bridges as a Novel Photothermal/Photocatalytic Integrated System for Z-Scheme Overall Water Splitting. Adv. Energy Mater. doi.org/10.1002/aenm.202102452