催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (2): 329-338.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63889-5

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增强制氢性能的ZnO@ZnS空心微球S型异质结光催化剂

蒋洁a, 王国宏a,*(), 邵琰池a, 王娟a, 周双b,#(), 苏耀荣b   

  1. a湖北师范大学先进材料研究院, 湖北师范大学化学化工学院, 污染物分析与资源化技术湖北省重点实验室, 湖北黄石 435002
    b深圳技术大学, 新材料与新能源学院, 广东深圳 518118
  • 收稿日期:2021-04-28 接受日期:2021-04-28 出版日期:2022-02-18 发布日期:2022-01-19
  • 通讯作者: 王国宏,周双
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22075072);国家自然科学基金(52003079);广东省基础与应用基础研究基金(2020A1515110873);深圳市基础研究面上项目(JCYJ20190813113408912);深圳技术大学新引进高端人才财政补助科研启动项目(2019211);湖北省自然科学基金(2019CFB568)

Step-scheme ZnO@ZnS hollow microspheres for improved photocatalytic H2 production performance

Jie Jianga, Guohong Wanga,*(), Yanchi Shaoa, Juan Wanga, Shuang Zhoub,#(), Yaorong Sub   

  1. aHubei Key Laboratory of Pollutant Analysis and Reuse Technology, College of Chemistry and Chemical Engineering, Institute for Advanced Materials, Hubei Normal University, Huangshi 435002, Hubei, China
    bCollege of New Materials and New Energies, Shenzhen Technology University, Shenzhen 518118, Guangdong, China
  • Received:2021-04-28 Accepted:2021-04-28 Online:2022-02-18 Published:2022-01-19
  • Contact: Guohong Wang, Shuang Zhou
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(22075072);This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(52003079);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2020A1515110873);Shenzhen Fundamental Research Program(JCYJ20190813113408912);Natural Science Foundation of Top Talent of SZTU(2019211);Hubei Provincial Natural Science Foundation of China(2019CFB568);2020 National Undergraduate Training Programs for Innovation and Entrepreneurship

摘要:

随着近年来工业化进程的加速, 能源消耗急剧增加, 同时伴随着环境的恶化, 开发可再生能源的需求日益迫切. 氢能因具有高能量密度、零碳排放和可循环利用性而被认为是化石燃料最理想的替代者之一. 当下几种制氢技术(如水电解法、丙烷脱氢法和石脑油热解法等)通常需要高温或高功耗, 因此其大规模应用受到限制. 半导体光催化分解水制氢技术可以将太阳能直接将转化为氢能, 为解决能源和环境危机提供了新的契机. ZnO是一种常见的n型半导体, 由于其具有优异的环境相容性、高氧化还原电位和低成本等特点, 被认为是光催化制氢的理想材料. 然而, 由于其光生电子-空穴对的快速复合, 导致光催化反应效率较低, 实际应用受到极大的限制. 最近的研究表明, 通过耦合两种半导体材料构建S型异质结是提升光催化性能的有效方式. ZnO是一种低价带氧化型半导体, 将其与另一种高导带还原型半导体耦合有助于S型异质结的构筑. ZnS是一种理想的还原型半导体材料, 与ZnO拥有相同的金属元素. 特别是ZnS还可以在ZnO上原位生长并形成致密的接触界面, 有望提升体系的光催化性能. 在ZnS与ZnO构筑的S型异质结体系中, ZnO中具有弱还原能力的较低导带电子可以与ZnS中具有弱氧化能力的较高价带空穴在异质结界面处直接复合. 同时, ZnS中具有较高还原能力的导带电子和ZnO中具有较高氧化能力的价带空穴将得以保留, 分别参与还原反应(光催化分解水制氢或二氧化碳还原制备有机燃料)和氧化反应(光催化制氧). 由此可见, 通过构建S型异质结, 不仅可以增强光生电子-空穴分离效率, 还可以提高光催化体系的氧化还原能力. 此外, ZnS与ZnO还具有相似的晶体结构, 表明它们之间的晶格失配度低, 载流子传输速度快.
本文采用简单的原位硫化法将ZnS负载到ZnO空心微球外壳上, 制备出了一种ZnO@ZnS核壳结构的S型空心球光催化剂. S型ZnO@ZnS空心微球光催化剂具有比表面积大、光利用率高、光生载流子分离效率高等优点. XPS测试和材料模拟计算表明, ZnO和ZnS形成S型异质结归因于内部电场的存在. 与纯ZnO相比, ZnO@ZnS空心微球的光催化制氢性能得到了极大的提高. 本文还提出了ZnO@ZnS光催化剂的S型异质结增强制氢性能的机理. 综上, 本文为设计高性能制氢光催化剂提供了参考.

关键词: ZnO@ZnS, 空心微球, S型异质结, 光催化制氢

Abstract:

Constructing a step-scheme heterojunction at the interface between two semiconductors is an efficient way to optimize the redox ability and accelerate the charge carrier separation of a photocatalytic system for achieving high photocatalytic performance. In this study, we prepared a hierarchical ZnO@ZnS step-scheme photocatalyst by incorporating ZnS into the outer shell of hollow ZnO microspheres via a simple in situ sulfidation strategy. The ZnO@ZnS step-scheme photocatalysts had a large surface area, high light utilization capacity, and superior separation efficiency for photogenerated charge carriers. In addition, the material simulation revealed that the formation of the step-scheme heterojunction between ZnO and ZnS was due to the presence of the built-in electric field. Our study paves the way for design of high-performance photocatalysts for H2 production.

Key words: ZnO@ZnS, Hollow microspheres, Step-scheme heterojunction, Photocatalytic H2 production