能源問題的持續(xù)惡化已成為限制人類發(fā)展的關(guān)鍵制約因素。對(duì)可再生能源有效利用的關(guān)鍵在于尋找一種能量轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的可行方案。由太陽能驅(qū)動(dòng)的水分解產(chǎn)氫通常被認(rèn)為是一種有前途的方法。自1972年Fujishima和Honda關(guān)于在二氧化鈦電極上光催化分解水產(chǎn)氫的首次報(bào)告以來，研究人員廣泛研究了高效穩(wěn)定的水分解光催化劑。其中金屬硫化物以其獨(dú)特的物理化學(xué)特性受到了廣泛關(guān)注。

成果簡介 原位生長新型Ti3C2納米片/Cd0.5Zn0.5S納米棒復(fù)合光催化劑促進(jìn)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(jì)了一種新型Ti3C2納米片/Cd0.5Zn0.5S納米棒復(fù)合光催化劑，并使用原位光照XPS（X射線光電子能譜）對(duì)該材料催化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析，為高效光解水產(chǎn)氫催化劑的構(gòu)筑提供了一種可行方案。島津參與了該項(xiàng)研究工作，相關(guān)合作成果已發(fā)表于物理化學(xué)領(lǐng)域知名SCI期刊《Acta Phys. -Chim. Sin.》（IF=10.9）。研究工作通過原位水熱方法構(gòu)筑了Ti3C2納米片/Cd0.5Zn0.5S納米棒二元復(fù)合材料，材料接觸界面間形成了肖特基異質(zhì)結(jié)。光催化產(chǎn)氫活性測試表明Ti3C2/Cd0.5Zn0.5S復(fù)合材料（以下簡稱MX/CZS）在可見光下的光催化產(chǎn)氫效率是純Cd0.5Zn0.5S（以下簡稱CZS）的2.56倍。

圖1是MX/CZS復(fù)合材料與純CZS的各元素高分辨XPS譜圖。復(fù)合后結(jié)合能相比于純物質(zhì)的結(jié)合能移動(dòng)說明復(fù)合材料間存在電子轉(zhuǎn)移作用，一般失去電子的一方結(jié)合能升高，反之降低。圖1（a-c）中，與純CZS相比，MX/CZS的Zn 2p、Cd 3d、S 2p結(jié)合能位置均升高。相應(yīng)地，與純MXene相比，C 1s中C-Ti峰以及Ti 2p中Ti-C 峰的結(jié)合能位置均有所降低。以上結(jié)果表明MX/CZS復(fù)合材料中電子由CZS轉(zhuǎn)移至Ti3C2 MXene表面。

圖1. MX/CZS復(fù)合材料、MXene和CZS的(a) Zn 2p，(b) Cd 3d，(c) S 2p，(d) Ti 2p，(e) C 1s高分辨率XPS譜圖

由于真實(shí)反應(yīng)在光照下進(jìn)行，故進(jìn)一步采用原位光照XPS用于探索CZS和Ti3C2 MXene之間的電荷轉(zhuǎn)移。圖2展示了原位光照XPS的結(jié)果，與黑暗條件相比，Cd 3d、Zn 2p、S 2p峰的結(jié)合能在光照條件下分別正向移動(dòng)了0.4、0.5、0.4 eV。同時(shí)，Ti 2p 峰的結(jié)合能在可見光照射下負(fù)向移動(dòng)0.2 eV。上述結(jié)果證實(shí)在原位光照條件下，光催化劑中的光生電子會(huì)從CZS向Ti3C2 MXene轉(zhuǎn)移。這些常規(guī)XPS及原位XPS實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力的證明了我們通過其他手段推測的反應(yīng)機(jī)理。

圖2. MX/CZS的 (a) Cd 3d，(b) Zn 2p，(c) S 2p和(d) Ti 2p的高分辨率原位光照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2）。

·       便捷性：集樣品全自動(dòng)傳輸、全自動(dòng)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(shí)時(shí)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2 復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系X射線光電子能譜儀

參考文獻(xiàn)：Qin Li, Huihui Zhang, Huajun Gu, Yuanyuan Cui, Ruihua Gao*, Wei-Lin Dai*. Acta Phys. -Chim. Sin., 2024, 40, 2402016.

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