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JMCA:Mn摻雜!Pt尖端!共同促進電子轉移,增強催化劑的光催化產氫效率

JMCA:Mn摻雜!Pt尖端!共同促進電子轉移,增強催化劑的光催化產氫效率
催化水分解制氫因其綠色的特性和能夠解決世界能源危機的前景而引起了大量的研究興趣。到目前為止,有多種半導體,已被開發用于分解水制備氫氣。在這些催化劑中,CdS納米晶體(NCs)由于其適當的帶隙而被大量利用,然而與較慢的表面催化反應(毫秒到秒)相比,由于快速激子復合導致電荷分離不足,CdS NCs的光催化產氫率受到限制。
基于此,雪城大學鄭偉威等人合成了Mn2+摻雜的具有Pt尖端的一維(1D)CdS納米棒(NRs,1D Mn:CdS-Pt NRs),用于快速光催化水分解制備氫氣。
JMCA:Mn摻雜!Pt尖端!共同促進電子轉移,增強催化劑的光催化產氫效率
本文將將合成的NRs在藍光(405 nm,LED)的照射下進行了光催化水分解實驗。測試結果表明,CdS NRs在8小時(9.4 mmol h-1 g-1)內產生120 mmol的氫氣,內量子效率(IQE)為0.5%。Mn:CdS NRs在測試中則產生了149 mmol的氫氣(19.8 mmol h-1 g-1),IQE較大,為1.0%。
在加入Pt后,1D Mn:CdS-Pt NRs顯示出優異的產氫率,在8小時(287 mmol h-1 g-1)內,每克光催化劑產生1658 mmol的氫氣,IQE為13.8%,這說明Pt和Mn2+的引入成功提高了CdS NRs的光催化產氫性能。更重要的是,研究人員發現,在Mn2+摻雜濃度為0.9%時,Mn:CdS-Pt NRs的光催化產率最高。但是當Mn2+濃度過高時(1.4%),光催化產率下降,這是由于短程Mn-Mn相互作用導致的濃度淬滅效應。
此外,當Pt反應時間增加到15分鐘及以上時,會導致更大的Pt尖端以及在NRs兩端形成Pt助催化劑。然而,這也會降低Mn:CdS NRs的光吸收能力和光催化性能。因此,最佳的條件是制備直徑相似、兩端都有Pt尖端的1D Mn:CdS NRs以實現高效的光吸收和相應的光催化水分解性能。
此外,本文還以10小時為周期,在30小時內進行了循環實驗,以評估催化劑的長期穩定性。在第二個和第三個10小時的循環測試中,每次循環的光催化產率分別為93%和83%,表明此一維光催化劑具有良好的可重復使用性。
JMCA:Mn摻雜!Pt尖端!共同促進電子轉移,增強催化劑的光催化產氫效率
此外,通過分析電化學阻抗譜圖可以發現,在CdS NRs內摻雜具有長壽命(~ms)的Mn2+后,由于CdS NRs到摻雜劑的能量轉移,電荷轉移電阻降低,而當電子從NRs轉移到金屬NPs后,Pt納米粒子的阻抗進一步顯著降低
結合表征和分析,本文得出了1D Mn:CdS-Pt NRs光催化產氫性能優異的主要原因:能量從1D CdS NRs轉移到長壽命的Mn2+離子,然后電子轉移到Mn:CdS-Pt NRs的親水Pt尖端,這限制了CdS NRs中的快速電荷復合,進而提高了產氫速率。本文通過引入摻雜作為一維功能光催化劑的電荷轉移橋梁的策略為促進高性能光催化劑的電子轉移提供了新的思路。
JMCA:Mn摻雜!Pt尖端!共同促進電子轉移,增強催化劑的光催化產氫效率
Facilitated Electron Transfer by Mn dopants in 1-Dimensional CdS Nanorods for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Generation, Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/d2ta08409k.
https://doi.org/10.1039/D2TA08409K.

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