催化学报

催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (2): 350-358.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63869-X

• 论文 • 上一篇    下一篇

构建S型异质结COF/CdS以增强太阳光产氢

孙龙a,b,†, 李铃铃c,†, 杨娟a, 范佳杰b,*, 徐全龙a,#   

  1. a温州大学化学与材料工程学院, 浙江省碳材料重点实验室, 浙江温州 325027
    b郑州大学材料科学与工程学院, 河南郑州 450002
    c广东工业大学材料与能源学院, 广东广州 510006
  • 收稿日期:2021-05-02 接受日期:2021-06-11 出版日期:2022-02-18 发布日期:2021-06-28
  • 通讯作者: 孙龙,李铃铃,范佳杰,徐全龙
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(21905209);国家自然科学基金(52073263);河南省自然科学基金(212300410080)

Fabricating covalent organic framework/CdS S-scheme heterojunctions for improved solar hydrogen generation

Long Suna,b,†, Lingling Lic,†, Juan Yanga, Jiajie Fanb,*, Quanlong Xua,#   

  1. aKey laboratory of Carbon Materials of Zhejiang Province, College of Chemistry and Materials Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325027, Zhejiang, China
    bSchool of Materials Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450002, Henan, China
    cSchool of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong, China
  • Received:2021-05-02 Accepted:2021-06-11 Online:2022-02-18 Published:2021-06-28
  • Contact: Long Sun, Lingling Li, Jiajie Fan, Quanlong Xu
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(21905209);This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(52073263);the Natural Science Foundation of Henan Province(212300410080)

RichHTML

11

PDF

277

摘要：

高效利用太阳能是解决当前能源危机和环境问题的有效途径. 光催化制氢技术具有绿色环保、成本低等优势, 且氢气可作为能源载体, 其燃烧产物仅为水, 因此被认为是实现高效利用太阳能的最佳途径之一. 为更好地利用太阳能, 研究者们致力于开发具有良好可见光活性的光催化剂. CdS因具有良好的电荷转移能力和在可见光区域强吸收的特性, 在光催化制氢方面显示出较大的潜力和优势, 成为研究热点. 特别是, 中空结构的CdS因可提供较大的比表面积和丰富的活性位点, 有利于光捕获, 表现出较好的光催化性能. 人们在合理构建高性能CdS方面已经取得了较大进展, 但由于光诱导载流子的快速复合和光腐蚀效应, 限制了其实际应用. 近年来, 研究者提出了许多提高CdS光催化活性的策略,如掺杂金属或非金属元素、负载贵金属、构建异质结等. 其中, 在CdS中引入共价有机框架化合物(COFs)较受关注. COFs由轻元素(C, B, O和N)组成, 并以强共价键周期性排列, 在CdS中引入COF可以拓宽其光吸收范围, 产生更多的光生载流子, 并有助于光生电子和空穴对的分离.
本文制备了一系列S型COF/CdS异质结复合材料, 其表现出比纯CdS和COF更优越的光催化性能. 当COF含量为1.5 wt%时, COF/CdS异质结构的产氢速率最高, 为8670 μmol h ‒1 g ‒1, 约为纯CdS的2.1倍. 在420 nm单色光下, 1.5%COF/CdS的表观量子效率(AQE)约为8.9%. 进一步研究表明, CdS与COF之间的紧密接触界面和良好匹配的能带结构可以诱导在异质结界面形成内电场, 有效地驱动光生电子和空穴的空间分离, 同时保持较强的氧化还原能力, 有利于提高光催化析氢性能. 原位XPS结果表明, COF的自由电子可以通过界面向CdS转移, 从而诱导COF向CdS形成内部电场, 并在界面处产生能带弯曲. 在内部电场力作用下, CdS导带中的光生电子向COF表面扩散并与COF中的HOMO空穴重新结合. 因此, 氧化还原能力较强的空穴和电子分别被保留, 遵循典型的S型异质结电荷转移模型. 同时, 吸附在COF表面的水分子或质子被COF中的LUMO上的活跃电子还原成H2, 进一步确定了COF/CdS复合材料的S型电荷转移过程. 因此, 紧密的组装界面和有效的S型结构可以显著提高电荷分离效率, 并为水或质子还原提供强大的驱动力, 从而大大提高COF/CdS杂化体系的光活性. 本文不仅丰富了新型S型异质结光催化剂, 而且为进一步的设计和合成提供了参考.

关键词: S型异质结, 共价有机框架, CdS, 光催化制氢

Abstract:

The fabrication of S-scheme heterojunctions has received considerable attention as an effective approach to promote the separation and migration of photoexcited electron/hole pairs and retain strong redox abilities. Herein, an imine-based porous covalent organic framework (COF-LZU1) is integrated with controllably fabricated CdS hollow cubes, resulting in the formation of an S-scheme heterojunction. When the COF content reaches 1.5 wt%, the COF/CdS heterostructure (1.5%COF/CdS) achieves the highest hydrogen generation rate of 8670 μmol·h -1·g -1, which is approximately 2.1 times higher than that of pure CdS. The apparent quantum efficiency (AQE) of 1.5%COF/CdS is approximately 8.9% at 420 nm. Further systematic analysis shows that the intimate contact interface and suitable energy band structures between CdS and COF can induce the formation of an internal electric field at the heterojunction interface, which can effectively drive the spatial separation of photoexcited charge carriers and simultaneously maintain a strong redox ability, thus enhancing the photocatalytic H2 evolution performance.

Key words: S-scheme, Covalent organic framework, CdS, Photocatalytic H2 production