基于層級CuS/NiS2/Ti3C2納米異質結構的高效光催化析氫研究信息

1. 文章信息

標題：Hierarchical nanohybrid of CuS/NiS2/Ti3C2 heterostructure with boosting charge transfer for efficient photocatalytic hydrogen evolution            

中文標題： 基于層級CuS/NiS2/Ti3C2納米異質結構的高效光催化析氫研究         DOI：10.1016/j.ijhydene.2023.03.369                                     2. 期刊信息

期刊名：  International Journal of Hydrogen Energy          

ISSN：  03603199  

2021年影響因子：  7.139      

分區(qū)信息：   二區(qū)TOP          

涉及研究方向：  光催化          

3. 作者信息：第一作者是國科大重慶學院 朱希。通訊作者為  陸文強。

4. 光源型號：CEL-HXF300-T3氙燈

文章簡介：

隨著化學能源的不斷消耗，各種環(huán)境問題（如全球變暖、環(huán)境污染等）已經對人們的生活產生了巨大的不良影響。在“碳達峰，碳中和”的戰(zhàn)略目標下，開發(fā)新型能源例如太陽能、風能以及潮汐能等就變得十分必要。全球的能源危機也促使科學家尋找可以替代化石燃料的可再生能源。太陽能是具有潛力的可再生能源，太陽能的轉化與存儲已經成為了當前的熱門研究課題。在《國家自然科學基金“十四五”發(fā)展規(guī)劃》第91條提出“圍繞能源高效利用與節(jié)能減排的重大需求以及我國碳減排面臨的巨大挑戰(zhàn)。研究高效低成本制氫/儲氫/加氫。”為了利用好和高效轉化太陽能，將MXenes和二維硫化物半導體應用于光催化產氫中，這兩種二維半導體材料的帶隙在0.1~3 eV左右，屬于可見光的吸收范圍，因此也是目前光催化產氫的熱點研究材料。

通過摻雜或者引入空位的方式可以增加單組分硫化物的活性，增加其光催化產氫性能，提升光電轉化效率。但是單組分的硫化物往往面臨著光生電子與空穴容易復合的缺陷。因此，構造基于硫化物與其他助催化劑，例如氧化物、其他硫化物和磷化物等，構造“II型”或“Z型”異質結構是一種有效的抑制光電子-空穴對復合的方法，從而提升光催化過程中的光電轉化效率。

NiS2是一種n型半導體，作為光催化劑對析氫速率具有較低的反應勢壘。然而，NiS2的性能仍然受到納米粒子的聚集以及光生電子和空穴的快速復合的限制。因此，需要與其他硫化物一起構建“II型”或“Z型”異質結構光催化劑，以提高析氫速率。CuS具有窄帶隙（~2 eV），可以有效地捕獲可見光。此外，制備方法簡便，原料價格低廉，是一類的優(yōu)異的光催化材料。

此外，在光催化劑中加入高導電二維半導體材料可以實現光生電子的快速轉移。石墨烯、g-C3N4和MXenes是最有希望用于光催化反應的高導電性二維材料。最近，MXenes材料已被用于與其他光催化劑（如氧化物、硫化物和磷化物）結合，用于光催化析氫。Ti3C2Tx是一類研究遍及MXenes材料，具有類似手風琴的形態(tài)，具有高導電性、大比表面積、親水性和高可見光吸收性。

在本論文中，通過多步溶劑熱反應，依次將NiS2納米粒子和CuS納米針沉積在Ti3C2Tx納米片的表面，創(chuàng)新地制備了三組分CuS/NiS2/Ti3C2Tx分層異質結構。在該“II型”CuS/NiS2/Ti3C2Tx體系中，納米針形貌提供了非常多的光催化反應位點；NiS2和CuS作為共催化劑形成“II型”異質結構，這會促進光生電子的分離和遷移。Ti3C2Tx表現出類似金屬的電子導電性，可以快速傳輸電子。CuS/NiS2/Ti3C2Tx異質結構的減小的帶隙說明光吸收會增加，二維材料之間的范德華力也促進了光生電子的轉移。與純CuS、NiS2和NiS2/Ti3C2Tx相比，CuS/NiS2/Ti3C2Tx異質結構表現出最高的氫產率為32.66 mmol g-1 h-1。CuS/NiS2/Ti3C2Tx異質結構在經過4個循環(huán)（一個循環(huán)持續(xù)4 h）后也表現出 97.7% 的析氫保留率。經過光催化循環(huán)反應后，CuS/NiS2/Ti3C2Tx異質結構的形貌和晶體結構沒有發(fā)生明顯變化，表明其具有良好的結構穩(wěn)定性和耐光腐蝕性能。該工作通過低成本、簡便的制備方法，原位構造了多種硫化物CuS/NiS2/Ti3C2Tx異質結構?？蓪⒃摲椒☉糜谄渌癦型”和“Type-II”異質結光催化劑。

圖2 （a）CuS、（b）NiS₂、（c）Ti₃C₂T_x、（d）NiS₂/Ti₃C₂T_x異質結構和（e和f）CuS/NiS₂/Ti₃C₂T_x異質結構的SEM圖

圖3 （a和b）CuS、NiS₂、NiS₂/Ti₃C₂T_x和CuS/NiS₂/Ti₃C₂T_x異質結構的光催化產氫性能和產氫速率；（c）CuS/NiS₂/Ti₃C₂T_x異質結構在紫外-可見光和可見光下的產氫性能；（d和e）CuS/NiS₂/Ti₃C₂T_x異質結構在不同pH條件下的光催化產氫性能和產氫速率；（f）CuS/NiS₂/Ti₃C₂T_x異質結構的AQY值