近期,上海电力大学姚伟峰教授团队在光催化产氢方面取得新进展,设计开发出一种新型pt基复合助催化剂(Ni(OH)2/PtNi纳米立方体),通过对水分子解离位点和析氢活性位点功能分离的原则,制备出一种用于光催化制氢的高效光催化助催化剂,特别是在碱性溶液中表现出更高的光催化制氢性能。相关工作以“Surface-Engineered Ni(OH)2/PtNi Nanocubes as Cocatalysts for Photocatalytic Hydrogen Production”为题,近期发表于《ACS Applied Nano Materials》,此研究得到上海市自然科学基金等项目支持。
方案 1. 从 PtNi 纳米立方体 (Pc) 和 NiO/PtNi 中间纳米立方体 (Opc) 开始形成 Ni(OH)2/PtNi (Hpc) 的示意图
实验通过对 PtNi纳米立方体合金在空气中进行适当热处理,促使Ni元素从合金中部分分离,并在PtNi合金表面原位生长,形成NiO/PtNi纳米立方体 (Opc)。如图1所示,EDS以及XPS等方式验证了Opc材料的成功合成。研究结果表明Opc表面的NiO在碱性条件下转换为Ni(OH)2从而促进水分子的解离吸附。图1 EDS图谱。(a-d)pc颗粒;(e-h)Opc颗粒;Pc、Opc 和 Hpc 的 XPS 光谱。(i) Ni 2p 区域 (j) Pt 4f 区域。对Pc/CdS和Hpc/CdS的制氢光催化活性进行了评估。研究发现,在Na2S/Na2SO3碱性溶液反应体系中,Opc/CdS表面的NiO转换为Ni(OH)2形成Hpc/CdS。纯CdS 和负载Pt纳米立方体的CdS(Pt/CdS)的活性也作为参考进行测量(图2)。如图2a所示,在相同条件下,0.5 wt% Hpc/CdS的产氢率最高。
图2 (a) 制氢动力学 (b) 循环寿命测试 (c) 平均氢率图;(光催化剂:5 毫克;牺牲剂:10 毫升 0.25 M Na2S 和 0.35 M Na2SO3 溶液;光源:300 W 氙灯,带 UV 截止滤光器(λ > 420 nm))。
图 3. (a) Pc 和 Hpc 电催化剂的极化曲线;(b) 塔菲尔曲线;(电解质:1.0 M KOH 溶液;扫描速率:2 mV/s)。(c) Pc/CdS和Hpc/CdS电催化剂的极化曲线;(d) 电化学阻抗谱(电解质:0.25 M Na2S 和 0.35 M Na2SO3 溶液;光源:300 W Xe 光,带 UV 截止滤光器(λ > 420 nm))
图 4. (a) 瞬态光电流(光催化剂:5 mg;牺牲剂:10 mL 0.25 M Na2S 和 0.35 M Na2SO3 溶液;光源:300 W Xe 光,带 UV 截止滤光器(λ > 420 nm))(b ) CdS、Pc/CdS 和 Hpc/CdS 光催化剂的光致发光 (PL) 光谱。
图 5 Hpc/CdS 光催化水分解促进析氢电荷转移的协同机制
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https://doi.org/10.1021/acsanm.1c01644