余家国光催化制氢!Nature Communications:一种新型超晶格界面与S型异质结在光催化氢气进化中的应用

文摘   2024-11-09 22:47   广东  

文章要点

半导体中光生电荷载流子的快速复合从根本上限制了它们在光催化中的应用。在此,我们报道了基于 Mn0.5Cd0.5S 纳米棒的超晶格界面和 S 型异质结可以显着促进超快电荷分离和转移。具体来说,Mn0.5Cd0.5S 纳米棒中轴向分布的闪锌矿/纤锌矿超晶格界面在均匀内部电场的推动下可以更有效地重新分布光生载流子并促进体分离。因此,Mn0.5Cd0.5S纳米棒与MnWO4纳米颗粒之间的S型异质结可以进一步加速载流子通过异质内部电场的表面分离。随后通过吸附的 H2O在 皮秒捕获光电子,在模拟太阳照射下产生 54.4 mmol·g-1·h-1 的光催化 H2 析出速率,无需任何助催化剂。相对于对照样品,产率提高了 ~5 倍,并且在 420nm 处测得的表观量子效率为 63.1%。这项工作提供了一种设计用于高效光催化的协同界面结构的方案

图 1 |提出的示意图。根据普遍空间电荷分离的连续性,只有超晶格界面和 S 型异质结的协同作用才能实现超快和普遍空间分离超晶格界面和电荷载流子转移。红色和绿色标记分别表示不满意和满意的分离效率

结果与讨论

图 2 |SL-MCS/MW NRs中协同界面结构的合成。SL MCS/MWNRs中协同界面结构的合成过程和可能的形成机制。

图 3 |SL-MCS/MW NRs中的原子尺度协同界面结构。附图5c中标记的SL-MCS区的原子尺度分辨率HAADF-STEM图像,以及相应的紧密堆积样式和结构模型示意图,其中A,B,Canda,b,crepresent-Mn/Cd(graysphereinstructuralmodel)和S(yellowsphereinstructural model)的紧密堆积位置,5 nm-1 h 1 nm (020) (01 0) 01 1) (0001) Mn (0002) i εzy SL−MCS MnWO4 (01 2) [2110] Cd l k j / [ 10]ZB 0.1 0.05 0 −0.05 −0.1O W S 分别。b (a) 中标记区域的放大图像。c (b) 的原子排列模型。d 的 FFT 模式。e GPA 模拟的 (a) 的应变分布。f SL-MCS/MW NR 中异质界面的原子级分辨率 HAADF-STEM 图像。g (f) 的 FFT 模式。(h)Mn、(i) Cd、(j)S、(k)W 和 (l)O 元素的 EDX 映射

图4 太阳光水裂解制氢的性能

图 5|通过超晶格界面进行体电荷分离的机理。

图 6 |通过 S 型异质结分离表面电荷的机制。

图 7|光诱导电荷载流子近带边缘的动力学行为

图 8|载波近带边缘超快行为的定量研究

结论

    基于通用空间电荷分离的逻辑框架,精心构建了具有协同界面结构的 SL-MCS/MW NR 化合物。由超晶格界面和 S 型异质结中的稳健 IEF 介导的界面协同作用,成功地完全实现了 SL-MCS/MW NR 中的超快和通用空间电荷分离和转移,正如通过 DFT 计算、原位照明表征和 fs-TA技术所彻底解释的那样。在此背景下,与原始 WZ-MCS 相比,SL-MCS/MW NRs 在模拟太阳照射下表现出 54.4mmol·g−1·h−1 的高 PHErate(最高可达原始 WZ-MCS 的 ~4.8 倍)和 63.1% 的 AQE,在 420nm 处没有任何贵金属或不含贵金属的 cocata lyst。值得注意的是,这项工作为高效光催化和其他光电转换应用的界面结构设计提供了有价值的见解。

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