TpBD COF@ZnIn2S4 nanosheets: A novel S-scheme heterojunction with enhanced photoreactivity for hydrogen production

doi:10.1016/j.apcatb.2023.122624

論文編號: 524
期刊: Applied Catalysis B: Environmental
影響因子: 19.503
中科院分區(qū): 1 區(qū)
發(fā)表年份: 2023
DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122624
設備型號: XH-800S
作者單位: 中南民族大學催化與能源材料化學教育部重點實驗室/湖北省催化材料科學重點實驗室；華中師范大學物理科學與技術學院湖北省光電材料與器件工程研究中心；葡萄牙里斯本新大學 NOVA 理工學院化學系；中南民族大學催化與能源材料化學教育部重點實驗室 / 湖北省催化材料科學重點實驗室；華中師范大學物理科學與技術學院湖北省光電材料與器件工程研究中心
Key Laboratory of Catalysis and Energy Materials Chemistry of Ministry of Education & Hubei Key Laboratory of Catalysis and Materials Science, South-Central Minzu University, Wuhan 430074, China; Hubei Engineering Research Center for Optoelectronic Materials and Devices, College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; LAQV-REQUIMTE, Department of Chemistry, NOVA School of Science and Technology, Universidade NOVA de Lisboa, 2829-516 Caparica, Portugal; Key Laboratory of Catalysis and Energy Materials Chemistry of Ministry of Education & Hubei Key Laboratory of Catalysis and Materials Science, South-Central Minzu University, Wuhan 430074, China; Hubei Engineering Research Center for Optoelectronic Materials and Devices, College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; LAQV-REQUIMTE, Department of Chemistry, NOVA School of Science and Technology, Universidade NOVA de Lisboa, 2829-516 Caparica, Portugal
研究方向: 光催化制氫；COF 異質結；微波水熱合成；可見光水分解；太陽能轉化

事實快照

論文：TpBD COF@ZnIn2S4 納米片:一種新型的 s 方案異質結，具有增強的光反應性，用于制氫
設備：XH-800S
期刊與分區(qū)：Applied Catalysis B: Environmental，中科院 1 區(qū)
核心條件：溫度 90 ℃ / 120 ℃；時間 10 min / 30 min / 45 min
關鍵結果：可見光制氫速率 2304 μmol g-1 h-1；AQE 5.02%
用途：可作為光催化制氫；COF 異質結；微波水熱合成；可見光水分解；太陽能轉化的論文證據頁。

研究摘要

作者針對 COFs 和 ZnIn2S4 單一光催化劑在實際制氫應用中仍面臨的光生載流子復合快、光反應活性不足和穩(wěn)定性受限等問題，提出在 TpBD COF 表面原位生長 ZnIn2S4 納米片，構建核殼式 TpBD COF@ZIS S-scheme 異質結。結果表明，最優(yōu)樣品 TpBD COF@ZIS-10 在無助催化劑條件下即可實現 2304 μmol g?1 h?1 的可見光制氫速率，420 nm 下 AQE 為 5.02%，分別約為純 TpBD COF 和純 ZIS 的 16.3 倍和 9.8 倍。論文進一步結合原位 XPS、ESR 與 DFT 計算證明，界面強相互作用和 S-scheme 電荷轉移機制共同促進了光生電子-空穴分離，同時保留了更強的氧化還原能力，并顯著提升了 ZIS 的光穩(wěn)定性。

研究背景與解決的問題

作者針對 COFs 和 ZnIn2S4 單一光催化劑在實際制氫應用中仍面臨的光生載流子復合快、光反應活性不足和穩(wěn)定性受限等問題，提出在 TpBD COF 表面原位生長 ZnIn2S4 納米片，構建核殼式 TpBD COF@ZIS S-scheme 異質結。

設備應用與實驗條件

項目	參數
溫度	90 ℃ / 120 ℃
時間	10 min / 30 min / 45 min

關鍵結果

可見光制氫速率 2304 μmol g-1 h-1

AQE 5.02%

指標	結果
可見光制氫速率	2304 μmol g-1 h-1
AQE	5.02%

機制/方法亮點

這篇論文的核心機理不是簡單的 type-II 異質結，而是更強調保留氧化還原能力的 S-scheme 電荷轉移路徑。 TpBD COF 與 ZIS 形成緊密界面后，界面強相互作用和內建電場共同驅動能帶彎曲。
在光照條件下，低能載流子優(yōu)先在界面復合，留下還原能力更強的 ZIS 導帶電子和氧化能力更強的 TpBD COF 價帶空穴。
原位 XPS 結果顯示，420 nm 光照下 TpBD COF 側的 C 1s/N 1s 向高結合能偏移，而 ZIS 側的 Zn 2p/In 3d/S 2p 向低結合能偏移，支持電子由 TpBD COF 向 ZIS 遷移的判斷。
ESR 檢測到更強的 ?O2? 信號，說明異質結保留了足夠強的還原能力，這與普通 type-II 機制不符，卻與 S-scheme 機制一致。
因此，提升產氫效率的關鍵在于：微波水熱原位生長帶來的高質量界面，配合 S-scheme 電荷分離，實現了“分離效率提升”和“高氧化還原勢保留”兩者兼顧。

應用價值

用微波水熱原位生長把 TpBD COF 和 ZnIn2S4 真正整合成一體化異質結，而不是停留在物理混合層面。
最優(yōu)樣品在無助催化劑條件下即可實現 2304 μmol g?1 h?1 的可見光產氫速率，結果傳播性很強。
420 nm 下 AQE 達 5.02%，并在 8 個循環(huán)后仍保持 2202 μmol g?1 h?1，兼顧活性和穩(wěn)定性。
通過原位 XPS、ESR 和 DFT 把 S-scheme 電荷轉移路徑解釋清楚，機制鏈條完整。
微波水熱法制得的樣品對比物理混合樣提升約 11.8 倍，說明工藝路線本身對界面質量具有決定性價值。

常見問題

這篇論文使用了哪種設備？

本研究使用 XH-800S。

研究的核心發(fā)現是什么？

該研究發(fā)表于 Applied Catalysis B: Environmental（2023），使用 XH-800S 開展光催化制氫；COF 異質結；微波水熱合成；可見光水分解；太陽能轉化研究，關鍵結果包括可見光制氫速率 2304 μmol g-1 h-1；AQE 5.02%。

該研究發(fā)表在哪個期刊？

發(fā)表于 Applied Catalysis B: Environmental，中科院 1 區(qū)。

引用信息
TpBD COF@ZnIn2S4 nanosheets: A novel S-scheme heterojunction with enhanced photoreactivity for hydrogen production
Applied Catalysis B: Environmental, 2023
DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122624