江苏科技大学|郭峰/施伟龙JCIS：基于温室诱导的光热效应促进光热辅助光催化水/海水分解制氢
江苏科技大学|郭峰/施伟龙JCIS：基于温室诱导的光热效应促进光热辅助光催化水/海水分解制氢
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以下文章来源于异质结光催化材料 ，作者郭峰/施伟龙团队
报道高水平期刊关于异质结光催化材料的制备及其应用的最新研究进展。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.09.170
研究现状
利用太阳能实现水分解、水净化和有机转化的光催化技术是解决环境污染和能源危机问题的一种有吸引力的途径
。迄今为止，可供光催化剂利用的光子主要集中在紫外线（
UV
）光谱范围内，只有一小部分延伸到可见光谱。为了增强太阳能在光催化中的高效利用，引入光热助力的光催化代表了一种有前景的
模
式转变。在这个背景下，涌现出了许多
有效
的策略，包括带隙工程、敏化和异质结构的创建，等等。与传统的光催化相比，光热助力的光催化系统通过将捕获的光子转化为热能，从而大幅增强了光催化过程的利用率。理论上，这种方法是充分利用太阳能潜力的理想方式。
基于以上分析，迫切需要建立和改进光热辅助光催化方式，以提供高效的光热辅助光催化效率。
研究内容
在此，
江苏科技大学郭峰
/
施伟龙副教授课题组
报告了
ZnIn
2
S
4
纳米
花表面
包裹的
核壳
Fe
3
O
4
@SiO
2
纳米颗粒
的复合光催化剂，用于高效光热辅助光催化分解
水制氢
。通过一系列光电试验，分析了光催化反应中光热效应
对
光生载流子的
影响
。此外，还以模拟海水为原料，对光催化剂的性能进行了评价。最后，基于实验结果和表征结果，提出了一种合理的光催化机理。
研究亮点
(i)
使用
Fe
3
O
4
纳米颗粒
作为光热内核
实现了
持续
高效的光
热转化效率
；
(ii) SiO
2
作为
Fe
3
O
4
纳米颗粒
的外壳可以进一步通过类温室效应提高反应温度；
(iii)
光热效应加速了光生载流子的转移促进了光催化反应效率；
图文速览（部分）
Fig.1 ( a) Schematic diagram for the synthesis of FO@SO/ZIS photocatalyst . (b, c) TEM and (d) HRTEM images of FO@SO, (e, f) TEM and (g) HRTEM, ( h ) HAADF-STEM and corresponding elemental mapping images of FO@SO/ZIS-0.4.
Fig.2
(
a
) XRD
patterns
of
as
-prepared
samples
. XPS spectra of FO@SO@ZIS-0.4: (
b
)
survey
spectra
;
(
c
) Zn 2p, (
d
) In 3d, (
e
) S 2p, (
f
) Si 2p, (
g
) O 2p
and
(
h
) F
e
2p.
Fig.3 (a) UV–Vis–NIR absorption spectra of as - prepared samples . ( b ) Diagram of non-relaxation recombinatio n of FO. ( c ) the nanoscale greenhouse effect over FO@SO nanoparticles . ( d ) Temperature mapping images under AM 1.5G irradiation and ( e ) corresponding temperature change curves .
Fig.4
(a)
Photocatalytic hydrogen evolution curves and (
b
) H
2
production rates of
as
-
prepared
samples
in water. (c) AQE
value
at wavelength
of
420 nm and (d) cycle stability test of FO@SO/ZIS-0.4
in
water
. (e)
C
omparison
of
p
hotocatalytic hydrogen evolution curves and (f) H
2
production rates of FO@SO/ZIS-0.4 in
water
/seawater. (g) AQE
value
at wavelength
of
420 nm and (h) cycle stability test of FO@SO/ZIS-0.4 in seawater. (i)
Photocatalytic hydrogen evolution
from
water
splitting
and
(j) H
2
production rates of FO@SO/ZIS-0.4
at
different
temperature
. (k) Photothermal IR images of
FO@SO/ZIS-0.4
in
the
photocatalytic water splitting process. (
l
)
Photocatalytic hydrogen evolution
from
seawater
splitting
and
(
m
) H
2
production rates of FO@SO/ZIS-0.4
at
different
temperature
. (
n
) Photothermal IR images of
FO@SO/ZIS-0.4
in
the
photocatalytic
sea
water splitting process.
Fig.5 (a) XRD pattern s and (b) TEM images of FO@SO/ZIS-0.4 sample before and after reaction. (c) Magnetic hysteresis loops of FO@SO and FO@SO/ZIS-0.4 nanocomposite. (d) Magnetic separation behavior of FO@SO/ZIS-0.4.
Fig.6 (a) Photocurrent response curves , ( b) EIS plots and (c) PL spectra of FO@SO/ZIS-0.4 at different temperatures. (d ) MS plots of ZIS and FO@SO/ZIS-0.4 under dark/light irradiation.
Fig.7
Photothermal-assisted photocatalytic H
2
production mechanism over FO@SO/ZIS
composite
.
机理探讨
在光照射下，
F
e
3
O
4
吸收广泛的阳光并将其转化为热量，
SiO
2
壳的存在进一步增加了
FO@SO
的整体温度，类似于温室效应。然后，这种热量升高了
ZIS
的表面温度，有助于
ZIS
中的光生电子的传输。另一方面，由于反应溶液是含有
10%
三乙醇胺（
TEOA
）的水溶液，这意味着由于水的优良导热性能，热量可以迅速传递给反应溶液。反应溶液的温度升高进一步促进了
ZIS
中光诱导载体的分离。与此同时，光生空穴被
TEOA
捕获，抑制了载体的复合。总之，
FO@SO
充当热核心，提高了催化剂和反应环境的温度，以促进光催化剂释放氢气。
综上所述
通过简单的水浴法合成 核壳 FO@SO / ZIS 复合光催化剂 。在光热辅助下，最佳的 FO@SO/ZIS-0.4 样品显示出了异常的 H 2 产量，达到了令人印象深刻的 1258.5 μmol g -1 h -1 。在该复合体系中， Fe 3 O 4 作为热芯起着关键作用，提供连续的热能来驱动催化反应。同时， SiO 2 具有提高 Fe 3 O 4 温度和有效分离光热物质和光化学物质的双重作用。这种分离减轻了这些实体之间的电荷转移，从而提高了整体的催化性能。还研究在不同温度下进行的一系列光电化学实验，证实了热在促进光产生电荷的分离中起着关键作用。此外，值得注意的是，这种复合催化剂即使在具有挑战性的海水环境中也表现出强大的活性，产氢气的速率高达 1108.5 μmol g -1 h -1 ，同时保持其 优异 的光热转化能力。这项开创性的工作不仅展示了一种设计高效光热辅助光催化剂的新方法，而且为推进可持续的制氢方法带来了巨大的希望。