基于层级CuS/NiS2/Ti3C2纳米异质结构的高效光催化析氢研究
时间：2023-05-30 阅读：745
1. 文章信息
标题：Hierarchical nanohybrid of CuS/NiS2/Ti3C2 heterostructure with boosting charge transfer for efficient photocatalytic hydrogen evolution
中文标题： 基于层级CuS/NiS2/Ti3C2纳米异质结构的高效光催化析氢研究 DOI：10.1016/j.ijhydene.2023.03.369 2. 期刊信息
期刊名： International Journal of Hydrogen Energy
ISSN： 03603199
2021年影响因子： 7.139
分区信息： 二区TOP
涉及研究方向： 光催化
3. 作者信息：第一作者是国科大重庆学院 朱希。通讯作者为 陆文强。
4. 光源型号：CEL-HXF300-T3氙灯
文章简介：
随着化学能源的不断消耗，各种环境问题（如全球变暖、环境污染等）已经对人们的生活产生了巨大的不良影响。在“碳达峰，碳中和”的战略目标下，开发新型能源例如太阳能、风能以及潮汐能等就变得十分必要。全球的能源危机也促使科学家寻找可以替代化石燃料的可再生能源。太阳能是具有潜力的可再生能源，太阳能的转化与存储已经成为了当前的热门研究课题。在《国家自然科学基金“十四五”发展规划》第91条提出“围绕能源高效利用与节能减排的重大需求以及我国碳减排面临的巨大挑战。研究高效低成本制氢/储氢/加氢。”为了利用好和高效转化太阳能，将MXenes和二维硫化物半导体应用于光催化产氢中，这两种二维半导体材料的带隙在0.1~3 eV左右，属于可见光的吸收范围，因此也是目前光催化产氢的热点研究材料。
通过掺杂或者引入空位的方式可以增加单组分硫化物的活性，增加其光催化产氢性能，提升光电转化效率。但是单组分的硫化物往往面临着光生电子与空穴容易复合的缺陷。因此，构造基于硫化物与其他助催化剂，例如氧化物、其他硫化物和磷化物等，构造“II型”或“Z型”异质结构是一种有效的抑制光电子-空穴对复合的方法，从而提升光催化过程中的光电转化效率。
NiS2是一种n型半导体，作为光催化剂对析氢速率具有较低的反应势垒。然而，NiS2的性能仍然受到纳米粒子的聚集以及光生电子和空穴的快速复合的限制。因此，需要与其他硫化物一起构建“II型”或“Z型”异质结构光催化剂，以提高析氢速率。CuS具有窄带隙（~2 eV），可以有效地捕获可见光。此外，制备方法简便，原料价格低廉，是一类的优异的光催化材料。
此外，在光催化剂中加入高导电二维半导体材料可以实现光生电子的快速转移。石墨烯、g-C3N4和MXenes是最有希望用于光催化反应的高导电性二维材料。最近，MXenes材料已被用于与其他光催化剂（如氧化物、硫化物和磷化物）结合，用于光催化析氢。Ti3C2Tx是一类研究遍及MXenes材料，具有类似手风琴的形态，具有高导电性、大比表面积、亲水性和高可见光吸收性。
在本论文中，通过多步溶剂热反应，依次将NiS2纳米粒子和CuS纳米针沉积在Ti3C2Tx纳米片的表面，创新地制备了三组分CuS/NiS2/Ti3C2Tx分层异质结构。在该“II型”CuS/NiS2/Ti3C2Tx体系中，纳米针形貌提供了非常多的光催化反应位点；NiS2和CuS作为共催化剂形成“II型”异质结构，这会促进光生电子的分离和迁移。Ti3C2Tx表现出类似金属的电子导电性，可以快速传输电子。CuS/NiS2/Ti3C2Tx异质结构的减小的带隙说明光吸收会增加，二维材料之间的范德华力也促进了光生电子的转移。与纯CuS、NiS2和NiS2/Ti3C2Tx相比，CuS/NiS2/Ti3C2Tx异质结构表现出最高的氢产率为32.66 mmol g-1 h-1。CuS/NiS2/Ti3C2Tx异质结构在经过4个循环（一个循环持续4 h）后也表现出 97.7% 的析氢保留率。经过光催化循环反应后，CuS/NiS2/Ti3C2Tx异质结构的形貌和晶体结构没有发生明显变化，表明其具有良好的结构稳定性和耐光腐蚀性能。该工作通过低成本、简便的制备方法，原位构造了多种硫化物CuS/NiS2/Ti3C2Tx异质结构。可将该方法应用于其它“Z型”和“Type-II”异质结光催化剂。
图2 （a）CuS、（b）NiS2、（c）Ti3C2Tx、（d）NiS2/Ti3C2Tx异质结构和（e和f）CuS/NiS2/Ti3C2Tx异质结构的SEM图
图3 （a和b）CuS、NiS2、NiS2/Ti3C2Tx和CuS/NiS2/Ti3C2Tx异质结构的光催化产氢性能和产氢速率；（c）CuS/NiS2/Ti3C2Tx异质结构在紫外-可见光和可见光下的产氢性能；（d和e）CuS/NiS2/Ti3C2Tx异质结构在不同pH条件下的光催化产氢性能和产氢速率；（f）CuS/NiS2/Ti3C2Tx异质结构的AQY值