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【催化】NiPS3超薄纳米片：促进高效光催化产氢的通用平台

【催化】NiPS3超薄纳米片：促进高效光催化产氢的通用平台 X-MOL资讯
2022-08-24
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导读：澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋团队报道了一种液相剥离方法制备 NiPS3 超薄纳米片。


高效、低成本光催化剂是实现大规模太阳能制氢的关键。那么，如何设计和制备高活性、廉价光催化剂呢？近日，澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋团队报道了一种液相剥离方法制备 NiPS3 超薄纳米片。该纳米片可作为多功能平台，极大提升各种光催化剂（包括  TiO2、CdS、In2ZnS4和 C3N4）的光催化产氢性能。

太阳能光催化产氢是一种有前途、廉价且环境友好的技术，可利用阳光生产绿色氢燃料，从而解决能源短缺、环境污染和气候变化问题。但现有光催化剂的低效率、低稳定性和高价格，极大限制了光催化产氢技术的大规模应用。因此，设计和制备高效、稳定和廉价的光催化剂对实现工业规模太阳能产氢具有重要意义。然而，合理设计和制备高效光催化剂，不仅需要从原子级尺度理解结构/组成-活性关系，而且需要精确且深刻地理解光催化剂中光生电子-空穴的动力学和热力学。

阿德莱德大学乔世璋团队设计和合成的NiPS3超薄纳米片（~3.16 nm）可作为通用平台极大提高各种光催化剂（包括TiO2、CdS、In2ZnS4 和 C3N4）的光驱动产氢性能。其中，NiPS3/CdS 复合物具有最高的光催化产氢性能（13,600 μmol h-1 g-1）。与CdS相比，NiPS3/CdS的性能提高了~1667%。通过DFT理论计算和高级表征，例如球差电镜、瞬态荧光光谱、瞬态表面光伏光谱、超快瞬态吸收和原位X射线光电子能谱，揭示了NiPS3/CdS 性能提升的两个原因：（1）NiPS3超薄纳米片和 CdS 纳米颗粒的强界面电子耦合促进了光生载流子分离和传输。光生空穴向 CdS 纳米颗粒表面转移显著增强，牺牲剂三乙醇胺捕获了这些光生空穴。因此，CdS 纳米颗粒的光生电子可以有效迁移到 NiPS3 超薄纳米片产生氢气；（2）NiPS3 超薄纳米片中，大量原子级P/S边缘位点和活化S位点促进了析氢应。该研究不仅展示了金属磷硫化物家族作为通用光催化产氢平台的巨大潜力，更重要的是，通过了解光催化中原子级构效关系和电子-空穴动力学/热力学，实现了光催化剂的合理设计/制备。 

图1. NiPS3 超薄纳米片的理论预测、表征和应用。

图2. 20.0N 的形貌、微观结构和化学成分。

图3. NiPS3/CdS体系的光催化产氢活性和载流子动力学。

图4. NiPS3/CdS体系中的光催化产氢机理示意图。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是阿德莱德大学研究员冉景润博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
NiPS3 ultrathin nanosheets as versatile platform advancing highly active photocatalytic H2 production
Jingrun Ran, Hongping Zhang, Sijia Fu, Mietek Jaroniec, Jieqiong Shan, Bingquan Xia, Yang Qu, Jiangtao Qu, Shuangming Chen, Li Song, Julie M. Cairney, Liqiang Jing & Shi-Zhang Qiao
Nat. Commun., 2022, 13, 4600, DOI: 10.1038/s41467-022-32256-6

乔世璋教授简介

乔世璋教授，现任澳大利亚阿德莱德大学化工与先进材料学院纳米技术首席教授，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、光催化、燃料电池、电池等。作为通讯联系人，在Nature、Nature Energy、Nature Communications、JACS、Angewandte Chemie、Advanced Materials等国际顶级期刊发表学术论文超过489篇，引用超过97,000次，h指数为158 (Google Scholar)。同时，乔教授拥有多项发明专利，并从工业界和澳大利亚研究理事会（ARC）获得研究经费超过1600万澳元。乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2021年南澳年度科学家、2019年首届阿德莱德大学校长研究卓越奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。乔教授被评为国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志Journal of Materials Chemistry A副主编，EES Catalysis 主编。也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/ 汤姆森路透（Thomson Reuters）化学及材料科学两个领域的高被引科学家。


https://www.x-mol.com/university/faculty/29675


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