基于層級CuS/NiS2/Ti3C2納米異質(zhì)結構的高效光催化析氫研究

1. 文章信息

標題：Hierarchical nanohybrid of CuS/NiS2/Ti3C2 heterostructure with boosting charge transfer for efficient photocatalytic hydrogen evolution            

中文標題： 基于層級CuS/NiS2/Ti3C2納米異質(zhì)結構的高效光催化析氫研究         DOI：10.1016/j.ijhydene.2023.03.369                                     2. 期刊信息

期刊名：  International Journal of Hydrogen Energy          

ISSN：  03603199  

2021年影響因子：  7.139      

分區信息：   二區TOP          

涉及研究方向：  光催化          

3. 作者信息：第一作者是國科大重慶學(xué)院 朱希。通訊作者為  陸文強。

4. 光源型號：CEL-HXF300-T3氙燈

文章簡(jiǎn)介：

隨著(zhù)化學(xué)能源的不斷消耗，各種環(huán)境問(wèn)題（如全球變暖、環(huán)境污染等）已經(jīng)對人們的生活產(chǎn)生了巨大的不良影響。在“碳達峰，碳中和"的戰略目標下，開(kāi)發(fā)新型能源例如太陽(yáng)能、風(fēng)能以及潮汐能等就變得十分必要。全球的能源危機也促使科學(xué)家尋找可以替代化石燃料的可再生能源。太陽(yáng)能是具有潛力的可再生能源，太陽(yáng)能的轉化與存儲已經(jīng)成為了當前的熱門(mén)研究課題。在《國家自然科學(xué)基金“十四五"發(fā)展規劃》第91條提出“圍繞能源高效利用與節能減排的重大需求以及我國碳減排面臨的巨大挑戰。研究高效低成本制氫/儲氫/加氫。"為了利用好和高效轉化太陽(yáng)能，將MXenes和二維硫化物半導體應用于光催化產(chǎn)氫中，這兩種二維半導體材料的帶隙在0.1~3 eV左右，屬于可見(jiàn)光的吸收范圍，因此也是目前光催化產(chǎn)氫的熱點(diǎn)研究材料。

通過(guò)摻雜或者引入空位的方式可以增加單組分硫化物的活性，增加其光催化產(chǎn)氫性能，提升光電轉化效率。但是單組分的硫化物往往面臨著(zhù)光生電子與空穴容易復合的缺陷。因此，構造基于硫化物與其他助催化劑，例如氧化物、其他硫化物和磷化物等，構造“II型"或“Z型"異質(zhì)結構是一種有效的抑制光電子-空穴對復合的方法，從而提升光催化過(guò)程中的光電轉化效率。

NiS2是一種n型半導體，作為光催化劑對析氫速率具有較低的反應勢壘。然而，NiS2的性能仍然受到納米粒子的聚集以及光生電子和空穴的快速復合的限制。因此，需要與其他硫化物一起構建“II型"或“Z型"異質(zhì)結構光催化劑，以提高析氫速率。CuS具有窄帶隙（~2 eV），可以有效地捕獲可見(jiàn)光。此外，制備方法簡(jiǎn)便，原料價(jià)格低廉，是一類(lèi)的優(yōu)異的光催化材料。

此外，在光催化劑中加入高導電二維半導體材料可以實(shí)現光生電子的快速轉移。石墨烯、g-C3N4和MXenes是最有希望用于光催化反應的高導電性二維材料。最近，MXenes材料已被用于與其他光催化劑（如氧化物、硫化物和磷化物）結合，用于光催化析氫。Ti3C2Tx是一類(lèi)研究遍及MXenes材料，具有類(lèi)似手風(fēng)琴的形態(tài)，具有高導電性、大比表面積、親水性和高可見(jiàn)光吸收性。

在本論文中，通過(guò)多步溶劑熱反應，依次將NiS2納米粒子和CuS納米針沉積在Ti3C2Tx納米片的表面，創(chuàng )新地制備了三組分CuS/NiS2/Ti3C2Tx分層異質(zhì)結構。在該“II型"CuS/NiS2/Ti3C2Tx體系中，納米針形貌提供了非常多的光催化反應位點(diǎn)；NiS2和CuS作為共催化劑形成“II型"異質(zhì)結構，這會(huì )促進(jìn)光生電子的分離和遷移。Ti3C2Tx表現出類(lèi)似金屬的電子導電性，可以快速傳輸電子。CuS/NiS2/Ti3C2Tx異質(zhì)結構的減小的帶隙說(shuō)明光吸收會(huì )增加，二維材料之間的范德華力也促進(jìn)了光生電子的轉移。與純CuS、NiS2和NiS2/Ti3C2Tx相比，CuS/NiS2/Ti3C2Tx異質(zhì)結構表現出最高的氫產(chǎn)率為32.66 mmol g-1 h-1。CuS/NiS2/Ti3C2Tx異質(zhì)結構在經(jīng)過(guò)4個(gè)循環(huán)（一個(gè)循環(huán)持續4 h）后也表現出 97.7% 的析氫保留率。經(jīng)過(guò)光催化循環(huán)反應后，CuS/NiS2/Ti3C2Tx異質(zhì)結構的形貌和晶體結構沒(méi)有發(fā)生明顯變化，表明其具有良好的結構穩定性和耐光腐蝕性能。該工作通過(guò)低成本、簡(jiǎn)便的制備方法，原位構造了多種硫化物CuS/NiS2/Ti3C2Tx異質(zhì)結構?？蓪⒃摲椒☉糜谄渌癦型"和“Type-II"異質(zhì)結光催化劑。

圖2 （a）CuS、（b）NiS₂、（c）Ti₃C₂T_x、（d）NiS₂/Ti₃C₂T_x異質(zhì)結構和（e和f）CuS/NiS₂/Ti₃C₂T_x異質(zhì)結構的SEM圖

圖3 （a和b）CuS、NiS₂、NiS₂/Ti₃C₂T_x和CuS/NiS₂/Ti₃C₂T_x異質(zhì)結構的光催化產(chǎn)氫性能和產(chǎn)氫速率；（c）CuS/NiS₂/Ti₃C₂T_x異質(zhì)結構在紫外-可見(jiàn)光和可見(jiàn)光下的產(chǎn)氫性能；（d和e）CuS/NiS₂/Ti₃C₂T_x異質(zhì)結構在不同pH條件下的光催化產(chǎn)氫性能和產(chǎn)氫速率；（f）CuS/NiS₂/Ti₃C₂T_x異質(zhì)結構的AQY值