Ti3C2 MXene纳米片上原位生长的Cd0.5Zn0.5S纳米棒实现高效可见光催化析氢

李钦 张慧慧 顾华军 崔园园 高瑞华 戴维林

引用本文: 李钦, 张慧慧, 顾华军, 崔园园, 高瑞华, 戴维林. Ti3C2 MXene纳米片上原位生长的Cd0.5Zn0.5S纳米棒实现高效可见光催化析氢[J]. 物理化学学报, 2025, 41(4): 240201. doi: 10.3866/PKU.WHXB202402016 shu
Citation:  Qin Li, Huihui Zhang, Huajun Gu, Yuanyuan Cui, Ruihua Gao, Wei-Lin Dai. In situ Growth of Cd0.5Zn0.5S Nanorods on Ti3C2 MXene Nanosheet for Efficient Visible-Light-Driven Photocatalytic Hydrogen Evolution[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2025, 41(4): 240201. doi: 10.3866/PKU.WHXB202402016 shu

Ti3C2 MXene纳米片上原位生长的Cd0.5Zn0.5S纳米棒实现高效可见光催化析氢

    通讯作者: 高瑞华, ; 戴维林, wldai@fudan.edu.cn
  • 基金项目:

    科技部国家重点研发计划 2021YFA1501404

    上海市自然科学基金 22ZR1404200

    国家自然科学基金 21373054

    上海市科学技术委员会专项经费 19DZ2270100

摘要: 在能源短缺和环保优先的背景下,光催化制氢是将太阳能转化为化学能的重要途径之一。有效提高光生载流子的分离效率对于设计具有优异析氢活性的光催化剂至关重要。本研究采用一步原位水热法构建了由Cd0.5Zn0.5S纳米棒和Ti3C2 MXene纳米片组成的二元异质结光催化剂。当Ti3C2 MXene的含量为0.5 wt% (质量分数)时,光催化产氢的最大速率为15.56 mmol∙g−1∙h−1,是纯Cd0.5Zn0.5S的2.56倍。经过5次催化循环后,光催化活性没有显著下降。该材料在350 nm紫外光下展现出最高的AQE为18.4%。此外,基于X射线光电子能谱(XPS)、原位光照XPS、飞秒瞬态吸收光谱、密度泛函理论(DFT)计算和光催化活性实验,我们提出了MXene/Cd0.5Zn0.5S复合材料的电荷转移和光催化制氢机理。我们的研究表明,引入不含贵金属的MXene材料可以有效地帮助光生电子的转移。这项工作展示了MXene材料在构建高效低成本的制氢光催化剂方面的潜力。

English

    1. [1]

      Wang, Z.; Li, C.; Domen, K. Chem. Soc. Rev. 2019, 48(7), 2109. doi: 10.1039/C8CS00542G

    2. [2]

      Chen, X.; Shen, S.; Guo, L.; Mao, S. S. Chem. Rev. 2010, 110 (11), 6503. doi: 10.1021/cr1001645

    3. [3]

      Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238 (5358), 37. doi: 10.1038/238037a0

    4. [4]

      Wang, X.; Maeda, K.; Thomas, A.; Takanabe, K.; Xin, G.; Carlsson, J. M.; Domen, K.; Antonietti, M. Nat. Mater. 2009, 8, 76. doi: 10.1038/nmat2317

    5. [5]

      Liu, J.; Liu, Y.; Liu, N.; Han, Y.; Zhang, X.; Huang, H.; Lifshitz, Y.; Lee, S. -T.; Zhong, J.; Kang, Z. Science 2015, 347 (6225), 970. doi: 10.1126/science.aaa3145

    6. [6]

      Song, Y.; Li, Z.; Zhu, Y.; Feng, X.; Chen, J. S.; Kaufmann, M.; Wang, C.; Lin, W. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141 (31), 12219. doi: 10.1021/jacs.9b05964

    7. [7]

      Kumar, D.P.; Hong, S.; Reddy, D. A.; Kim, T. K. Appl. Catal. B-Environ. 2017, 212, 7. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.04.065

    8. [8]

      Zhang, Q.; Wang, X.; Zhang, J.; Li, L.; Gu, H.; Dai, W. -L. J. Colloid Interface Sci. 2021, 590, 632. doi: 10.1016/j.jcis.2021.01.083

    9. [9]

      Zhang, L.; Ding, N.; Lou, L.; Iwasaki, K.; Wu, H.; Luo, Y.; Li, D.; Nakata, K.; Fujishima, A.; Meng, Q. Adv. Funct. Mater. 2019, 29 (3), 1806774. doi: 10.1002/adfm.201806774

    10. [10]

      Zhang, L.; Cui, Y.; Yang, F.; Zhang, Q.; Zhang, J.; Cao, M.; Dai, W. -L. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 45, 176. doi: 10.1016/j.jmst.2019.11.020

    11. [11]

      Wang, J.; Shen, Y.; Liu, S.; Zhang, Y. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 270, 118885. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118885

    12. [12]

      Shehzad, N.; Tahir, M.; Johari, K.; Murugesan, T.; Hussain, M. Appl. Surf. Sci. 2019, 463, 445. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.08.250

    13. [13]

      Cadiau, A.; Kolobov, N.; Srinivasan, S.; Goesten, M. G.; Haspel, H.; Bavykina, A. V.; Tchalala, M. R.; Maity, P.; Goryachev, A.; Poryvaev, A. S.; et al. Angew. Chem. -Int. Ed. 2020, 59 (32), 13468. doi: 10.1002/anie.202000158

    14. [14]

      Zhu, Y. -P.; Yin, J.; Abou-Hamad, E.; Liu, X.; Chen, W.; Yao, T.; Mohammed, O. F.; Alshareef, H. N. Adv. Mater. 2020, 32 (16), 1906368. doi: 10.1002/adma.v32.1610.1002/adma.201906368

    15. [15]

      Zhou, P.; Zhang, Q.; Xu, Z.; Shang, Q.; Wang, L.; Chao, Y.; Li, Y.; Chen, H.; Lv, F.; Zhang, Q.; et al. Adv. Mater. 2020, 32 (7), 1904249. doi: 10.1002/adma.201904249

    16. [16]

      Ruan, D.; Fujitsuka, M.; Majima, T. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 264, 118541. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118541

    17. [17]

      Tian, L.; Min, S.; Wang, F. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 259, 118029. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118029

    18. [18]

      Yue, X.; Yi, S. Wang, R.; Zhang, Z.; Qiu, S. Appl. Catal. B-Environ. 2018, 224, 17. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.10.010

    19. [19]

      Luo, Z.; Zhao, X.; Zhang, H.; Jiang, Y. Appl. Catal. A-Gen. 2019, 582, 117115. doi: 10.1016/j.apcata.2019.117115

    20. [20]

      Huang, H. -B.; Fang, Z. -B.; Yu, K.; Lü, J.; Cao, R. J. Mater. Chem. A 2020, 8 (7), 3882. doi: 10.1039/C9TA13836F

    21. [21]

      Li, Q.; Meng, H.; Zhou, P.; Zheng, Y.; Wang, J.; Yu, J. ; Gong, J. ACS Catal. 2013, 3 (5), 882. doi: 10.1021/cs4000975

    22. [22]

      Hou, Y.; Laursen, A. B.; Zhang, J.; Zhang, G.; Zhu, Y.; Wang, X.; Dahl, S.; Chorkendorff, I. Angew. Chem. -Int. Ed. 2013, 52 (13), 3621. doi: 10.1002/anie.201210294

    23. [23]

      Naguib, M.; Kurtoglu, M.; Presser, V.; Lu, J.; Niu, J.; Min, H.; Hultman, L.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M.W. Adv. Mater. 2011, 23 (37), 4248. doi: 10.1002/adma.201102306

    24. [24]

      Zhang, Q.; Lai, H.; Fan, R.; Ji, P.; Fu, X.; Li, H. ACS Nano2021, 15 (3), 5249. doi: 10.1021/acsnano.0c10671

    25. [25]

      Zhang, Q.; Fan, R.; Cheng, W.; Ji, P.; Sheng, J.; Liao, Q.; Lai, H.; Fu, X.; Zhang, C.; Li, H. Adv. Sci. 2022, 9 (28), 2202748. doi: 10.1002/advs.202202748

    26. [26]

      Zhang, Q.; Zhang, Z.; Zhao, D.; Wang, L.; Li, H.; Zhang, F.; Huo, Y.; Li, H. Appl. Catal. B-Environ. 2023, 320, 122009. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.122009

    27. [27]

      Tang, X.; Zhou, D., Li, P.; Guo, X.; Sun, B.; Liu, H.; Yan, K.; Gogotsi, Y.; Wang, G. Adv. Mater. 2020, 32 (4), 1906739. doi: 10.1002/adma.201906739

    28. [28]

      Zhang, Q.; He, J.; Fu, X.; Xie, S.; Fan, R.; Lai, H.; Cheng, W.; Ji, P.; Sheng, J.; Liao, Q.; Zhu, W.; Li, H. Chem. Eng. J. 2022, 430, 132950. doi: 10.1016/j.cej.2021.132950

    29. [29]

      Zhou, Y.; Maleski, K.; Anasori, B.; Thostenson, J.O.; Pang, Y.; Feng, Y.; Zeng, K.; Parker, C. B.; Zauscher, S.; Gogotsi, Y.; Glass, J. T.; Cao, C. ACS Nano 2020, 14 (3), 3576. doi: 10.1021/acsnano.9b10066

    30. [30]

      Li, Y.; Yin, Z.; Ji, G.; Liang, Z.; Xue, Y.; Guo, Y.; Tian, J.; Wang, X.; Cui, H. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 246, 12. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.01.051

    31. [31]

      Wu, Y.; Li, X.; Yang, Q.; Wang, D.; Yao, F.; Cao, J.; Chen, Z.; Huang, X.; Yang, Y.; Li, X. Chem. Eng. J. 2020, 390, 124519. doi: 10.1016/j.cej.2020.124519

    32. [32]

      Cheng, L.; Chen, Q.; Li, J.; Liu, H. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 267, 118379. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118379

    33. [33]

      Shao, M.; Shao, Y.; Chai, J.; Qu, Y.; Yang, M.; Wang, Z.; Yang, M.; Ip, W. F.; Kwok, C. T.; Shi, X.; et al. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 16748. doi: 10.1039/C7TA04122E

    34. [34]

      Kwon, N. H.; Shin, S. -J.; Jin, X.; Jung, Y.; Hwang, G. -S.; Kim, H.; Hwang, S. -J. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 277, 19191. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119191

    35. [35]

      Huang, Y.; Mei, F.; Zhang, J.; Dai, K.; Dawson, G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38 (7), 2108028. doi: 10.3866/PKU.WHXB202108028

    36. [36]

      Yang, H.; Dai, K.; Zhang, J.; Dawson, G. Chin. J. Catal. 2022, 43 (8), 2111. doi: 10.1016/S1872-2067(22)64096-8

    37. [37]

      Wang, Z.; Wang, J.; Zhang, J.; Dai, K. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (6), 2209037. doi: 10.3866/PKU.WHXB202209037

    38. [38]

      Hua, J.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K.; Shao, C.; Fan, K. J. Mater. Sci. Technol. 2023, 156, 64. doi: 10.1016/j.jmst.2023.03.003

    39. [39]

      Zhao, Z.; Wang, Z.; Zhang, J.; Shao, C.; Dai, K.; Fan, K.; Liang, C. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2214470. doi: 10.1002/adfm.202214470

    40. [40]

      Zhang, H.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K. Chin. J. Catal. 2023, 49, 42. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64444-4

    41. [41]

      Li, Y. -H.; Zhang, F.; Chen, Y.; Li, J. -Y.; Xu, Y. -J. Green. Chem. 2020, 22, 163. doi: 10.1039/c9gc03332g

    42. [42]

      Li, Z.; Huang, W.; Liu, J.; Lv, K.; Li, Q. ACS Catal. 2021, 11 (14), 8510. doi: 10.1021/acscatal.1c02018

    43. [43]

      Gu, H.; Zhang, H.; Wang, X.; Li, Q.; Chang, S.; Huang, Y.; Gao, L.; Cui, Y.; Liu, R.; Dai, W. -L. Appl. Catal. B-Environ. 2023, 328, 122537. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.122537

    44. [44]

      Sun, B.; Qiu, P.; Liang, Z.; Xue, Y.; Zhang, X.; Yang, L.; Cui, H.; Tian, J. Chem. Eng. J. 2021, 406, 127177. doi: 10.1016/j.cej.2020.127177

    45. [45]

      Xiao, R.; Zhao, C.; Zou, Z.; Chen, Z.; Tian, L.; Xu, H.; Tang, H.; Liu, Q.; Lin, Z.; Yang, X. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 268, 118382. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118382

    46. [46]

      Saini, B.; Laishram, H. K. D.; Krishnapriya, R.; Singhal, R.; Sharma, R. K. ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5 (7), 9319. doi: 10.1021/acsanm.2c01639

    47. [47]

      Zhu, S. -C.; Li, S.; Tang, B.; Liang, H.; Liu, B. -J.; Xiao, G.; Xiao, F. -X. J. Catal. 2021, 404, 56. doi: 10.1016/j.jcat.2021.09.001

    48. [48]

      Zhu, S. -C.; Wang, Z. -C.; Tang, B.; Liang, H.; Liu, B. -J.; Li, S.; Chen, Z.; Cheng, N. C.; Xiao, F. -X. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 11926. doi: 10.1039/D2TA02755K

    49. [49]

      He, F.; Zhu, B.; Cheng, B.; Yu, J.; Ho, W.; Macyk, W. Appl. Catal. B- Environ. 2020, 272, 119006. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119006

    50. [50]

      Huang, W.; Li, Z.; Wu, C.; Zhang, H.; Sun, J.; Li, Q. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 120, 89. doi: 10.1016/j.jmst.2021.12.028

    51. [51]

      Huang, W. -X.; Li, Z. -P.; Li, D. -D.; Hu, Z. -H.; Wu, C.; Lv, K. -L.; Li, Q. Rare Met. 2022, 41, 3268. doi: 10.1007/s12598-022-02058-2

    52. [52]

      Li, H.; Sun, B.; Gao, T.; Li, H.; Ren, Y.; Zhou, G. Chin. J. Catal. 2022, 43 (2), 461. doi: 10.1016/S1872-2067(21)63915-3

    53. [53]

      Guan, C.; Yue, X.; Fan, J.; Xiang, Q. Chin. J. Catal. 2022, 43 (10), 2484. doi: 10.1016/S1872-2067(22)64102-0

    54. [54]

      You, Z.; Liao, Y.; Li, X.; Fan, J.; Xiang, Q. Nanoscale 2021, 13, 9463. doi: 10.1039/D1NR02224E

    55. [55]

      Su, T.; Men, C.; Chen, L.; Chu, B.; Luo, X.; Ji, H.; Chen, J.; Qin, Z. Adv. Sci. 2022, 9, 2103715. doi: 10.1002/advs.202103715

    56. [56]

      Yu, J.; Zhang, J.; Jaroniec, M. Green Chem. 2010, 12, 1611. doi: 10.1039/c0gc00236d

    57. [57]

      Sun, Q. -M.; Xu, J. -J.; Tao, F. -F.; Ye, W.; Zhou, C.; He, J. -H.; Lu, J. -M. Angew. Chem. -Int. Ed. 2022, 61, e202200872. doi: 10.1002/anie.202200872

    58. [58]

      Zhu, J.; Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A. Chin. J. Catal. 2023, 49, 5. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64438-9

    59. [59]

      Cheng, C.; Zhang, J.; Zhu, B.; Liang, G.; Zhang, L.; Yu, J. Angew. Chem. -Int. Ed. 2023, 62, e202218688. doi: 10.1002/anie.202218688

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  717
  • HTML全文浏览量:  68
文章相关
  • 发布日期:  2025-04-15
  • 收稿日期:  2024-02-19
  • 接受日期:  2024-04-03
  • 修回日期:  2024-04-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章