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太陽能以其取之不盡、用之不竭、清潔可再生等特點，有望成為化石燃料的替代能源之一，半導(dǎo)體光催化因其成功將太陽能轉(zhuǎn)化為所需的化學(xué)能而引起了研究者極大的興趣。光催化制氫是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的最重要途徑之一，而其關(guān)鍵技術(shù)在于開發(fā)高效、高穩(wěn)定性、低成本的光催化劑。本期島津XPS 用戶成果分享主要介紹復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系戴維林教授研究團(tuán)隊近期在光催化領(lǐng)域研究的一些進(jìn)展及XPS測試技術(shù)在其中的應(yīng)用。

團(tuán)隊介紹---戴維林教授團(tuán)隊

復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域為新型催化材料的構(gòu)筑及其在能源、環(huán)境、精細(xì)化學(xué)品合成及太陽能光催化等領(lǐng)域的應(yīng)用。曾獲上海市曙光學(xué)者稱號。以第一或通訊作者在化學(xué)及材料領(lǐng)域著名期刊ACS Catal., Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A., Appl. Catal. B: Environ., Green. Chem., J. Catal., ACS Sustain. Chem. Eng., Chem. Commun., J. Hazard. Mater.等發(fā)表SCI論文170余篇，多篇論文入選全球1% ESI 高被引用論文，總引用次數(shù)10890余次，H-index 56，獲中國發(fā)明專利33項。2014-2023連續(xù)入選Elsevier公布的化學(xué)領(lǐng)域中國大陸高被引學(xué)者榜單，2023 年度入選斯坦福大學(xué)及 Elsevier 發(fā)布全球化學(xué)學(xué)科 2%頂尖科學(xué)家榜單，在國際上產(chǎn)生了一定的影響。目前擔(dān)任多個學(xué)術(shù)刊物的編委。

成果簡介: CdSe@Ti3C2 MXene復(fù)合材料實現(xiàn)高效光解水產(chǎn)氫

復(fù)旦大學(xué)戴維林教授課題組設(shè)計了一種CdSe納米棒@Ti3C2 MXene納米片復(fù)合光催化劑，并結(jié)合SPM（掃描探針顯微鏡）及原位光照XPS（X射線光電子能譜）結(jié)果進(jìn)行相關(guān)機(jī)理探討，為進(jìn)一步開發(fā)高效穩(wěn)定的光催化體系提供了研究思路。島津公司參與該項研究工作，相關(guān)合作成果發(fā)表于光催化領(lǐng)域國際知名SCI期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（IF=22.1）上。

      研究工作利用原位水熱技術(shù)構(gòu)建了由Ti3C2 MXene納米片和CdSe納米棒組成的二元異質(zhì)結(jié)，通過光催化產(chǎn)氫活性測試發(fā)現(xiàn)，在可見光下，CdSe-Ti3C2 MXene（以下簡稱CdSe-MX）的最佳氫生成活性比原始CdSe高近6倍。圖1給出了CdSe-MX復(fù)合材料與純CdSe的各元素高分辨XPS譜圖，相較于純物質(zhì)，復(fù)合后各組分結(jié)合能的移動可反映出復(fù)合材料之間存在電子轉(zhuǎn)移作用，一般失去電子的一方結(jié)合能升高，反之則降低。圖1（a、d）中，與純MXene相比，CdSe-MX的C 1s中歸屬于C-Ti峰的結(jié)合能以及Ti 2p中Ti-C 2p3/2的結(jié)合能位置均降低；相應(yīng)地，與純CdSe相比，CdSe-MX的Se 3d5/2結(jié)合能以及Cd 3d5/2結(jié)合能位置均升高。以上結(jié)果表明CdSe-MX復(fù)合材料中電子由CdSe轉(zhuǎn)移至Ti3C2 MXene表面。

圖1.CdSe-MX復(fù)合材料與純CdSe的(a) C 1s、(b) Cd 3d、(c) Se 3d、(d) Ti 2p高分辨率XPS譜圖

由于真實反應(yīng)體系在光照下進(jìn)行，故進(jìn)一步采用原位光照XPS用于探索CdSe和Ti3C2 MXene之間的電荷轉(zhuǎn)移，結(jié)果見圖2。與黑暗條件相比，Cd 3d5/2的結(jié)合能在光照條件下正向移動0.4 eV，Se 3d 峰的結(jié)合能在光照條件下也正向移動0.3 eV。同時，Ti 2p3/2峰的結(jié)合能在可見光照射下負(fù)向移動0.2 eV。這一發(fā)現(xiàn)證明了在原位光照條件下，電子進(jìn)一步從CdSe轉(zhuǎn)移到MXene。這些XPS結(jié)果有力的證明了反應(yīng)條件下的電子轉(zhuǎn)移方向，驗證了催化反應(yīng)機(jī)理。

圖2. 原位光照前后CdSe-MX的Cd 3d (a)、Se 3d (b) 和Ti 2p (c)的高分辨率XPS譜圖

儀器介紹

全新一代Kratos AXIS SUPRA+ 是基于研發(fā)與制造，兼?zhèn)涓?/span>分辨采譜和快速平行成像功能的多技術(shù)型 X 射線光電子能譜（圖3）。

·       便捷性：集樣品全自動傳輸、全自動分析、智能數(shù)據(jù)采集處理于一體，體現(xiàn)了便捷性。

·        優(yōu)異的性能：擁有多種 X 射線源、大半徑雙層能量分析器，杰出的荷電中和技術(shù)，使其獲得了優(yōu)異的性能。

·       豐富的擴(kuò)展性：高能Ag Lα單色X射線源可有效區(qū)分光電子峰和俄歇峰并增加探測深度；搭配適應(yīng)1000°C高溫、3 MPa高壓及模擬反應(yīng)氣氛的準(zhǔn)原位催化反應(yīng)池；適合不同波長和功率激光及模擬太陽光實時照射樣品表面，在樣品分析室進(jìn)行原位光催化反應(yīng)的光纖系統(tǒng)。

圖3 復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系X射線光電子能譜儀

參考文獻(xiàn)：Huajun Gu, Huihui Zhang, Xinglin Wang, Qin Li, Shengyuan Chang, Yamei Huang, Linlin Gao, Yuanyuan Cui, Renwei Liu, Wei-Lin Dai*. Appl. Catal. B: Environ., 2023, 328, 122537.

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