中科大熊宇杰&徐航勛Angew. Chem. Int. Ed.：由超薄化合物納米片組成的范德華力異質結構用于Z型高效全解水

【引言】

人們一直在思索如何在不使用犧牲劑的情況下研發將太陽能轉化為化學染料的光催化全解水系統。雖然結構可調型高分子化合物光催化劑可被視作無機光解水光催化劑的代替品，但是僅有非常少的聚合物光催化劑有合適的能帶結構，即擁有可同時驅動水的氧化和質子的還原的氧化還原勢，所以研發單成分光解水光催化劑仍具有挑戰。受自然界光合作用啟發，Z型光催化系統在實現高效全解水中有重大潛力。然而，如何制造無金屬的Z型光催化系統仍是個難題。

【成果簡介】

近日，中科大熊宇杰教授和徐航勛教授（共同通訊作者）等人利用基于范德瓦耳斯力力的高分子聚合物異質結構實現了無金屬Z型光催化系統的構建，相關成果以題目“Van der Waals Heterostructures Comprised of Ultrathin Polymer Nanosheets for Efficient Z-Scheme Overall Water Splitting”發表于期刊Angew. Chem. Int. Ed.。通過利用阿扎胞苷共軛微孔聚合物（aza-CMP）和C₂N超薄納米片分別作為O₂和H₂的催化劑，該異質結構系統實現了0.23 %的光轉氫效率。利用石墨烯作為電子傳遞媒介增強界面電荷轉移，該系統光轉氫效率可進一步被提高到0.4 %， 該成果揭示了高分子聚合物在全解水方面的潛力。

【圖文導讀】

圖1. Z型光解水系統的化學結構、TEM圖和AFM圖

a）Aza-CMP和C₂N的化學結構

b）已剝離aza-CMP的TEM圖

c）已剝離C₂N的TEM圖

d）Aza-CMP的AFM圖和相應的高度輪廓圖

e）C₂N的AFM圖和相應的高度輪廓圖

圖2. Aza-CMP、C₂N的SRPES譜和UV/NIR 漫反射光譜

a）由SPRES測得的aza-CMP和C₂N納米片的二次電子截止譜

b）由SPRES測得的aza-CMP和C₂N納米片的價帶譜

c）Aza-CMP和C₂N的Tauc圖

d）導致Z型光催化結構的aza-CMP和C₂N納米片的電子能帶結構

圖3. Aza-CMP、C₂N、aza-CMP/C₂N異質結構的成份、結構表征和aza-CMP/C₂N異質結構的光解水性能表征

a）Aza-CMP和C₂N異質結構的TEM圖，箭頭表示重疊的界面

b）Aza-CMP、C₂N和aza-CMP/C₂N的氮K峰XANES譜

c）鉑標記的C₂N和鈷標記的aza-CMP形成的異質結構HAADF-STEM元素圖

d）不同成份的aza-CMP/C₂N異質結構全解水表現

e）Aza-CMP/RGP/C₂N光催化劑的TEM圖

f）在可見光照下aza-CMP/RGP/C₂N產生H₂和O₂的典型時序圖

圖4. Aza-CMP、C₂N、aza-CMP/C₂N等催化劑的性能表征

a）不同催化劑的光致發光譜

b）不同催化劑的EIS圖

c）不同催化劑在黑暗下和光照下的J-V曲線

d）不同催化劑在黑暗下和光照下的J-V曲線

【小結】

該工作闡明了利用范德華力可將不同的超薄化合物納米片組合成新興的Z型全解水光催化系統，優化后的該系統可達到0.23 %的光轉氫效率。通過加入還原氧化石墨烯作為固體電子媒介，光轉氫效率可繼續被提升至0.4 %，這一結構能夠有效轉移電荷并促進光生激子轉移。該工作首次提出利用2D化合物納米片構造用于Z型全解水的范德華異質結構，為Z型全解水光催化劑的設計和研發提供了新的思路。

文獻鏈接：Van der Waals Heterostructures Comprised of Ultrathin Polymer Nanosheets for Efficient Z-Scheme Overall Water Splitting (Angew. Chem. Int. Ed., 2018 , DOI: 10.1002/anie.201710557)

本材料由材料人編輯部小斯同學編譯，劉宇龍審核。點我加入編輯部大家庭。

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