第一作者：刘珊池
通讯作者：王凯，靳治良
通讯单位：北方民族大学化学与化学工程学院
主要亮点
本研究通过物理混合法将Mn0.2Cd0.8S纳米棒与CoAl LDH纳米片进行耦合，制备出一种新型的具有S型异质结结构的Mn0.2Cd0.8S@CoAl LDH复合光催化剂，在内建电场的下可以有效地加快Mn0.2Cd0.8S和CoAl LDH界面间光生载流子的分离和转移。CoAl LDH的引入有效地抑制了Mn0.2Cd0.8S中光生电子和空穴的复合，进一步提高了Mn0.2Cd0.8S的光催化产氢活性。
此论文是“异质结光催化材料”专刊邀请稿，客座编辑：中国地质大学余家国教授、华南农业大学李鑫研究员、陕西科技大学王传义教授、北方民族大学靳治良教授。
研究背景
大规模燃烧传统化石燃料不仅带来了各种环境问题，还引发了能源危机，发展清洁能源迫在眉睫。氢能以其极高的利用价值和无污染的特点引起了人们的广泛关注。然而，传统的制氢方法存在着能耗大、副产品有害等缺点。单一的光催化剂存在光响应差，电子和空穴结合快，反应位点少，光腐蚀严重等问题，严重限制了其产氢效率。为了制备性能优异的光催化材料，异质结光催化剂一直是国内外研究的热点。
核心内容
S型异质结可以消除无用的电子和空穴，为光催化析氢反应提供更大的推动力。基于对S型异质结的理解，我们采用静电自主装的方式将Mn0.2Cd0.8S与CoAl LDH紧密耦合，制备出具有S型异质结结构的Mn0.2Cd0.8S@CoAl LDH复合光催化剂。以Na2S/Na2SO3溶液为空穴消耗剂，研究了复合材料的光催化性能。由于光生载流子的严重重组，Mn0.2Cd0.8S的产氢性能并不理想，同时，CoAl LDH的产氢性能也很低，而具有最佳比例的Mn0.2Cd0.8S@CoAl LDH的产氢量在5小时内可达1177.9 µmol，远远高于的单一组分的Mn0.2Cd0.8S和CoAl LDH材料。将Mn0.2Cd0.8S与CoAl LDH耦合可以显著提高催化剂对可见光的吸收能力。此外，在390 nm的激发波长下，Mn0.2Cd0.8S展现出最强的发光强度，Mn0.2Cd0.8S@CoAl LDH相对较低的荧光强度表明了有效的电子转移，这在光催化H2生成过程中起着积极的作用。Mn0.2Cd0.8S@CoAl LDH中载流子平均寿命的显著延长表明电子和空穴分离效果更好，有利于更多的电子参与光催化反应。最高的光电流密度，最小的电化学阻抗，最小的阴极电流响应进一步验证了Mn0.2Cd0.8S与CoAl LDH界面处快速的电子转移。结合以上分析，提出了Mn0.2Cd0.8S@CoAl LDH可能的光催化机理（如图1所示）：Mn0.2Cd0.8S与CoAl LDH紧密接触后，接触面上的电子自发地从Mn0.2Cd0.8S转移到CoAl LDH，在二者界面处形成内建电场；可见光照射后，电子从光催化剂的价带转移到它的导带，在价带上留下空穴；在带边弯曲、内部电场和库仑力的共同作用下，来自CoAl LDH(导带)的电子与Mn0.2Cd0.8S (价带)的空穴复合；因此，Mn0.2Cd0.8S的导带中大量的电子可以参与制氢反应，同时，CoAl LDH价带中的空穴被Na2S/Na2SO3消耗。最终，Mn0.2Cd0.8S@CoAl LDH展现出优异的析氢活性。
结论与展望
采用超声混合Mn0.2Cd0.8S和CoAl LDH的方式成功制备了Mn0.2Cd0.8S@CoAl LDHS型异质结复合光催化剂。与CoAl LDH相比，复合光催化剂具有更好的光吸收性能。结合电化学、瞬态和稳态荧光测试可知，S型异质结不仅提供了快速的电子转移通道，而且消除了无用的电子和空穴，从而保留了有用的电子用于光催化H2生成反应。具有最佳比例的Mn0.2Cd0.8S@CoAl LDH复合光催化剂在5 h内产氢量可达1177.9 mol，高于单一的Mn0.2Cd0.8S和CoAl LDH。本研究为合理设计用于光催化制氢的S型异质结光催化剂提供了一条简单有效的途径。
原文链接
http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202109023
通讯作者
王凯 副教授
女，副教授。近年来，主持国家民委重点实验室项目一项，横向校企联合项目一项，参与国家自然科学基金项目一项，发表论文20余篇。主要从事无机功能材料的合成及相关性能研究。
靳治良 研究员
男，1966年9月出生，甘肃静宁人。研究员，正高职高级工程师，北方民族大学教授（二级），博士生导师。国家民委领军人才，国家民委“清洁能源与绿色化工创新团队” 带头人。现担任北方民族大学 学术委员会副主任；宁夏太阳能化学转化技术重点实验室主任；国家民委 化工技术基础重点实验室主任；中国能源学会专家委员会副主任委员；中国化工教育协会 理事。主持并完成科研项目26项，发表研究论文280余篇，其中第一作者/通讯作者发表SCI论文234篇，ESI高被引论文38篇，热点论文4篇，参编学术专著 2部，副主编教材2部，授权发明专利8件。
