天津大學張兵Sci. Bull.：自模板法合成雙層多孔納米管光催化制氫催化劑

【引言】

目前，自模板策略是一種合成中空結構催化劑簡單易行的方法。在半導體上定向光沉積負載助催化劑與化學沉積或物理混合相比，更能有效地利用助催化劑。但是，開發具有開放端口的多孔納米管非均相光催化劑，以及負載空間分離的雙助催化劑，仍然具有很大的挑戰。本文采用自模板和原位光沉積策略，獲得了具有增強光催化制氫活性的CoO_x/ZnS@CdS/Ni雙層多孔納米管催化劑。

【成果簡介】

提高半導體光催化劑光轉化效率的關鍵在于提升光生載流子的分離效率。近日，天津大學的張兵（通訊作者）等人通過自模板轉換策略，制備了ZnS@CdS雙層多孔納米管（PNTs），這種異質結構在管的內壁和外壁上分別具有分離的氧化和還原位點。采用Ni和CoO_x作為雙助催化劑，進行選擇性光沉積后，作為電子收集器和還原反應位點的Ni納米顆粒負載在CdS外殼上，而作為空穴收集器和氧化反應位點的CoO_x納米粒子負載在ZnS內殼上。新型的CoO_x/ZnS@CdS/Ni光催化劑具有以下特點：自模板衍生薄的介孔異質結；光沉積衍生的空間分離雙重助催化劑，其協同效應能夠為光生電子和空穴的有序轉移提供驅動力并促進表面催化反應，極大提高了光催化制氫活性。此外，這一簡單的策略可以擴展到制備具有增強光催化活性的CoO_x/ZnSe@CdSe/Ni PNT材料的合成上。相關成果以“Self-template synthesis of double-layered porous nanotubes with spatially separated photoredox surfaces for efficient photocatalytic hydrogen production”為題發表在Science Bulletin上。

【圖文導讀】

圖 1 CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNT催化劑的合成及其產氫示意圖

ZnS@CdS PNT自模板合成，CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNT的連續原位光沉積合成及光催化H₂生成過程的示意圖。

圖 2 ZnS@CdS PNT的顯微形貌及結構圖

（a）SEM圖像；

（b）TEM圖像；

（c）HRTEM圖像；

（d）TEM圖像及其元素分布圖譜；

（e）TEM圖像及線掃元素分布曲線（1-S；2-Cd；3-Zn）；

（f）ZnS@CdS PNT、ZnS和CdS的XRD圖譜；

（g）ZnS@CdS PNT的BET圖及其孔徑分布圖。

圖 3 ZnS@CdS PNT的結構和能級圖

（a）ZnS@CdS PNT、ZnS和CdS的UV-Vis DRS圖；

（b）ZnS@CdS PNT的（αhν）²與hν的關系曲線；

（c）ZnS和CdS PNT的莫特肖特基曲線；

（d）ZnS和CdS PNT的勢能圖。

圖 4 CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNTs的顯微形貌和結構圖

（a）SEM圖像；

（b）TEM圖像；

（c，d）HRTEM圖像；

（e）TEM圖像及其元素分布圖譜；

（f，g）Ni 2p_3/2和Co 2p_3/2的XPS圖譜。

圖 5?空間分離雙助劑的光催化性能圖

（a）不同催化劑的產H₂速率圖；

（b）ZnS@CdS PNTs和CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNTs在光催化下的循環產H₂圖；

（c）CdS、ZnS@CdS PNTs和CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNTs的時間分辨PL光譜；

（d）不同光催化劑的瞬態光電流響應曲線。（1-ZnS PNTs；2-CdS PNTs；3-ZnS@CdS PNTs；4-CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNTs）

【小結】

本文使用自模板策略合成了具有薄殼、獨特空間分離的還原氧化反應位點的雙層ZnS@CdS PNTs。在具有薄的介孔異質結的ZnS@CdS PNTs材料中，其獨特的氧化還原位點可以在內外表面上進行選擇性原位光沉積，以固定Ni和CoO_x NPs雙助催化劑，實現了可見光下的高效光催化制氫。薄異質結和空間分離的雙助催化劑，可以促使光生電子和空穴向相反方向的有序轉移。本文采用簡單的策略制備了CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNTs，其具有增強的光催化制氫活性，這為獲得具有增強的光催化性能的非均相光催化劑開辟了新的途徑。

文獻鏈接：Self-template synthesis of double-layered porous nanotubes with spatially separated photoredox surfaces for efficient photocatalytic hydrogen production（Sci. Bull., 2018, DOI: 10.1016/j.scib. 2018.03.015）

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料牛專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！