Z-机制光催化剂及其高效可见光解水产氢活性

来源：中国科学材料

人工Z-机制光催化剂因其同时具有光吸收范围宽、电荷分离效率高以及载流子氧化还原能力强等优势受到了研究者们的广泛关注。然而，设计和制备能够利用太阳能进行高效光解水产氢的低成本、高稳定性非贵金属Z-机制光催化剂仍具有挑战性。

近日，青岛科技大学王磊教授和林海峰副教授等人在Science China Materials上发表研究论文，报道了一种新颖的全固态Z-机制光催化剂Cd1−xZnxS@WO3−x，该催化剂纳米结构是由氧缺陷WO3−x非晶层包覆Cd1−xZnxS纳米棒组成。

图1 Cd1−xZnxS@WO3−x和Cd1−xZnxS@WO3−x/CoOx/NiOx纳米棒的合成。

研究结果表明，由于适量的Zn掺杂使得Cd1−xZnxS具有更强的产生还原性电子能力，同时，WO3−x超薄非晶层中引入的氧空位(W5+/OVs)有效地促进了电荷的分离，使得该Z-机制Cd1−xZnxS@WO3−x光催化材料具有优异的光催化产氢反应(HER)活性，且显著高于贵金属Pt负载的Cd1−xZnxS纳米棒(Pt/Cd1−xZnxS)及绝大多数WO3和CdS基光催化剂。优化后的Cd1−xZnxS@WO3−x复合光催化剂的HER速率可达21.68 mmol h−1 g−1。进一步通过原位光沉积负载CoOx和NiOx双共催化剂，Cd1−xZnxS@WO3−x/CoOx/NiOx复合材料的活性高达28.25 mmol h−1 g−1，约为Pt/Cd1−xZnxS的12倍。

图2 WO3, CZ0.15S, CZ0.15S-Pt, CZ0.15S-0.08W@CoOx/NiOx (CZSW-CoOx/NiOx)和CZ0.15S@WO3−x的光催化析氢性能。

计算结果表明，Cd1−xZnxS@WO3−x在420 nm激发光下的HER表观量子产率(AQY)为34.6%，而负载CoOx和NiOx双共催化剂后的Cd1−xZnxS@WO3−x/CoOx/NiOx的AQY提高到了60.8%。此外，Cd1−xZnxS@WO3−x和Cd1−xZnxS@WO3−x/CoOx/NiOx均表现出了良好的长时间HER稳定性。

该工作将为理性设计和制备高效光解水产氢催化剂提供新视角。

该研究成果最近发表于Science China Materials, 2019, doi: 10.1007/s40843-019-1179-4。