Cd0.5Zn0.5S QD를 Ni2P 다공성 나노시트에 로드하여 광촉매 수소 진화 향상

초록

Ni₂ P는 효율적인 광촉매 H₂를 위해 CdS 나노와이어 또는 나노로드에 장식되었습니다. 비표면적은 큰 크기로 인해 제한적으로 유지되는 반면 생산. 여기에서 Cd_0.5의 합성물 Zn_0.5 얇은 Ni₂의 S 양자점(QD) 비표면적이 높은 P 다공성 나노시트는 귀금속이 없는 광촉매 H₂를 위해 구성되었습니다. 세대. 다공성 Ni₂ 15–30nm 크기의 Ni₂를 상호 연결하여 형성된 P 나노시트 7nm 크기의 Cd_0.5를 균일하게 로딩할 수 있는 P 나노 입자 Zn_0.5 S QD 및 로딩 밀도를 제어할 수 있습니다. Ni₂의 내용을 조정하여 P, H₂ 43.3μM h^{− 1} 의 생성 속도 (1mg 광촉매) 및 700μM h^{− 1} (100mg 광촉매) 및 1.5%의 태양광 대 수소 효율이 Ni₂에 대해 달성되었습니다. P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 합성물. Ni₂의 효과 복합재료의 광흡수, 광발광 및 전기화학적 특성에 대한 P 함량을 체계적으로 연구하였다. 밀도 함수 이론에 기반한 밴드 구조 계산과 함께 Ni₂의 촉진 P 전하 이동 및 HER 활성과 함께 광 흡수에 대한 음영 효과가 밝혀졌습니다. 이러한 전략은 효율적인 태양광 수소 생성을 위한 다른 광촉매에도 적용될 수 있습니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

H₂를 생산하기 위한 효율적인 전략으로 태양 에너지를 활용하여 광촉매 수소 생산은 TiO₂ 이후로 많은 관심을 받았습니다. 1972년 광촉매로 보고되었다[1]. TiO₂와 비교 , CD_x Zn_1−x S는 밴드 갭이 좁고 광화학적 안정성이 좋기 때문에 가시광선 구동 촉매 활성이 우수합니다. A H₂ 최대 1097μM h^{− 1} 생산 속도 g^{− 1} Cd_0.5를 사용하여 달성되었습니다. Zn_0.5 S를 광촉매로 [2], 이 조성은 광촉매 특성에 최적인 것으로 입증되었습니다. 수소 발생 반응(HER)에 대한 캐리어 재조합을 줄이고 캐리어 분리를 촉진하기 위해 Pt, Co-Pt, Ru, Au 및 Pd와 같은 귀금속이 조촉매로 사용되었습니다[3,4,5,6,7, 8]. 예를 들어, Co-Pt와 함께 촉매 작용을 하면 광촉매 H₂ Cd_0.5 생성율 Zn_0.5 S 양자점(QD)은 4.7배 증가할 수 있습니다[4]. A H₂ 최대 ~ 6.3 mM h^{− 1} 생산 mg^{− 1} CdZnS가 Au와 결합되었을 때 달성되었다[9]. 그러나 귀금속의 높은 비용은 향후 대규모 적용을 크게 제한하므로 비귀금속 조촉매는 광촉매 H₂를 위한 귀중한 조촉매의 좋은 후보가 됩니다. 세대.

탄소 계열(그래핀, 탄소나노튜브, 환원그래핀옥사이드, 탄소나노점) [10,11,12,13,14,15], 인화물 [16,17,18,19,20 ,21,22] 및 TiO₂ [23, 24] 및 황화물 [25,26,27,28,29,30,31,32], Ni₂ P와 CoP는 효율적인 광촉매 H₂를 위해 CdS 나노와이어 및/또는 나노막대와 광범위하게 합성되었습니다. 생산 [16,17,18, 33,34,35,36]. 이러한 복합 재료에서 1차원(1D) CdS는 항상 더 작은 인화물의 나노입자 또는 HER 활성을 갖는 나노시트로 장식되었으며 1D 구조의 긴 캐리어 확산 길이와 잘 정의된 이종 구조 때문에 캐리어 재조합이 크게 감소할 수 있습니다. 보조 촉매와의 인터페이스. 연료 변환 효율에 대한 높은 태양 에너지, 낮은 제조 비용[37, 38]과 같은 양자점의 장점을 고려할 때, HER은 주로 조촉매/전해질 계면에서 발생하므로 비표면적이 풍부한 이종 나노 구조를 구성하는 것이 합리적입니다. 빠른 캐리어 분리를 유지하면서 활성 사이트 영역. 이 경우 효율적인 광촉매 H₂에 대해 조촉매에 광촉매가 로드된 역 구조가 보고되었습니다. 세대 [10, 13]. 예를 들어 수소 생성 속도는 2.08 및 ~ 33.4mM h^{− 1} 입니다. mg^{− 1} Cd_0.5를 로드하여 설정되었습니다. Zn_0.5 양파형 탄소 및 2D 흑연질화탄소 위의 S QD(g-C₃ N₄ ) 마이크로 리본, 각각. 이는 광촉매 H₂에 대한 기대치를 높입니다. 인화물 나노구조가 Cd_0.5로 장식된 경우 생성 Zn_0.5 S QD. 그러나 이러한 역구조는 지금까지 거의 보고되지 않았습니다.

여기서 Cd_0.5의 역구조 Zn_0.5 Ni₂의 S QD P 나노시트 어레이는 향상된 광촉매 H₂를 위한 열 솔루션 방법으로 합성되었습니다. 세대. 700μM h^{− 1} 의 수소 발생률 (100mg 공급 촉매 사용) 1.5%의 태양열 대 수소 효율(STH)은 1.5wt%의 Ni₂에서 달성되었습니다. P. Ni₂의 효과 H₂의 P 합성물의 생성율, 광학적, 전기화학적 특성을 체계적으로 연구하였다. 또한, Ni₂의 밴드 구조는 P는 광전기화학적 특성, Ni₂의 상세한 역할과 함께 밀도 함수 이론에 기초하여 계산되었습니다. H₂의 경우 P 세대가 밝혀졌습니다.

방법/실험

공촉매 합성

먼저, 2.61g의 질산니켈과 2.52g의 헥사메틸렌테트라민을 함유하는 20mL의 탈이온수를 테플론 오토클레이브에 옮기고 NiOOH를 형성하기 위해 120°C에서 10시간 동안 가열했습니다. 실온으로 냉각한 후 NiOOH 생성물을 알코올 및 탈이온수로 2000rpm에서 3회 원심분리를 통해 각각 5분 동안 세척했습니다. 그런 다음 NiOOH 0.22g과 차아인산나트륨 0.44g의 혼합물을 관로에 넣고 500°C에서 2시간 동안 가열하여 인산화했습니다. 자연적으로 실온으로 냉각되면 검은색 Ni₂ P 분말을 획득하고 수집했습니다.

Ni의 합성₂ P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 나노복합체

Ni₂를 준비하려면 P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 합성물, 100mg Ni₂ P 분말은 1시간 동안 초음파 처리를 통해 20mL 에탄올에 분산되었습니다. 그런 다음 xmL(x =0.48, 0.96, 1.4, 3, 5) 잘 분산된 Ni₂ P 용액을 272.6mg의 ZnCl₂이 포함된 20mL 에틸렌 글리콜 용액에 첨가했습니다. 및 456.7mg CdCl₂ ∙2.5H₂ O, 질소 보호 하에 계속 교반하면서 170°C로 가열했습니다. 20mL 에틸렌 글리콜 용액을 첨가한 후 960.7mg Na₂를 용해 S∙9H₂ O, 용액을 180°C로 가열하고 Cd_0.5의 성장을 위해 1시간 동안 유지했습니다. Zn_0.5 Ni₂의 S P. 마지막으로 시료를 알코올과 탈이온수로 각각 3회 세척하였다. 최종 xNi₂의 무게를 측정하여 P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 합성물, 중량 퍼센트(wt%)는 0.5(x =0.48), 1(x =0.96), 1.5(x =1.4), 3(x =3), 5(x =5). 비교하자면 순수 Cd_0.5 Zn_0.5 S QD는 Ni₂의 첨가를 제외하고 유사한 방법을 통해 합성되었습니다. 피.

형태, 구조 및 광학적 특성 특성화

형태, 미세 구조 및 조성은 주사 투과 전자 현미경(STEM) 및 에너지 분산 X선이 장착된 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, JSM-7100F, JEOL) 및 투과 전자 현미경(TEM, FEI Tecnai 20)으로 특성화되었습니다. 분광법(EDX). 분말 X선 회절(XRD) 패턴은 Cu Kα(λ =1.54056 Å)를 사용하여 Bruker AXS D8 X선 회절계에서 기록되었습니다. 원소 조성, 화학적 및 원자가 상태는 Al Kα 방사선으로 (가전자대) X선 광전자 분광법(XPS) 측정(XPS, Escalab 250Xi)에 의해 연구되었습니다. UV-Vis 흡수는 적분구 장치가 장착된 UV-Vis 분광광도계(UV-3600, Shimadzu)로 조사하였으며, 샘플 대 탈이온수 중량/부피 비율은 1mg/10mL로 유지되었습니다. 광발광(PL) 측정은 여기 파장이 400nm인 7000FL 분광 광도계(Hitachi, F7000)에서 수행되었습니다. PL 측정 전 순수 Cd_0.5 Zn_0.5 S QD와 복합재는 에탄올에 잘 분산되었고 Cd_0.5 농도 Zn_0.5 S는 모든 샘플에서 0.5mg/mL로 유지되었습니다.

선형 스위프 전압전류법(LSV) 및 전기화학 임피던스 스펙트럼(EIS) 측정

LSV 측정은 일반적인 3전극 구성의 전기화학 워크스테이션(CHI 760E, CH Instruments)에서 1M NaOH 전해질(pH =14)에서 수행되었습니다. Pt 호일과 포화 Ag/AgCl을 각각 상대 전극과 기준 전극으로 사용했습니다. 전위는 방정식 E(vs RHE) =E(vs Ag/AgCl) + E_Ag/AgCl에 의해 가역 수소 전극(RHE) 대 가역 수소 전극(RHE)으로 변환되었습니다. (ref) + 0.0591 V × pH, 여기서 (E_Ag/AgCl (ref) =0.1976V vs NHE(일반 수소 전극)(25°C)[39]. 전기화학적 임피던스 스펙트럼(EIS) 측정은 5mV의 진폭과 0.35M Na₂ 전해질로 0.5V 대 RHE에서 어둠 속에서 수행되었습니다. 그래서₃ 및 0.25M Na₂ 유사한 3 전극 시스템을 사용하여 S 수용액. 작업 전극은 ~ 2mg 제품(5mL 에탄올에 분산됨)을 4cm² 에 펴서 만들었습니다. 영역 FTO 기질을 제거하고 70°C에서 5시간 동안 건조했습니다. 주파수 범위는 0.1 Hz ~ 100 kHz 이내로 유지되었으며 스펙트럼은 Z-View 프로그램(Scribner Associates Inc.)으로 분석되었습니다.

광촉매(PC) H₂ 세대

H₂ 이전 생산 과정에서 서로 다른 질량(1, 5, 10mg)의 광촉매를 15mL 0.75M Na₂와 함께 밀봉된 석영 반응기(부피 40mL, 5cm × 5cm × 1.6cm)에 분산시켰습니다.> S 및 1.05M Na₂ 그래서₃ 수용액. 질소로 30분간 탈기한 후, 차단 필터가 420nm이고 입사 전력이 300mW/cm인 300W Xe(PLS-SXE300/300UV, Perfect Light) 램프를 조사하여 광촉매 실험을 수행했습니다. ² . 촉매 용액은 전체 PC 실험 동안 계속 교반되었습니다. 매시간 1mL 가스 생산을 수집하고 가스 크로마토그래프(GC-2018, Shimadzu, Japan, TCD)로 분석했습니다. 동일한 조건에서 추가 사이클링 안정성 실험을 수행했습니다. Na₂ 전해질 100mL에서 15~100mg의 광촉매 공급량과 병행 실험을 수행했습니다. S 및 Na₂ 그래서₃ 동일한 조명 아래 더 큰 반응기(부피 150mL)에서 태양열 대 수소 효율(STH)은 다음 방정식으로 계산되었습니다.

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}\mathrm{STH}\ \left(\%\right)=\kern0.5em \frac{\mathrm{energy}\ \mathrm{of}\ \mathrm{ 생성됨}\ {\mathrm{H}}_2}{\mathrm{light}\ \mathrm{energy}\ \mathrm{onto}\ \mathrm{the}\ \mathrm{표면}\ \mathrm{of}\ \ mathrm{솔루션}}\times 100\%\\ {}\kern6.5em =\frac{237\mathrm{KJ}/\mathrm{mole}\kern0.5em \times \mathm{moles}\ \mathrm{of }\ {\mathrm{H}}_2\ \mathrm{제품}}{\mathrm{면적}\ \mathrm{of}\ \mathrm{솔루션}\ \mathrm{been}\ \mathrm{조사됨}\times 300 \mathrm{mW}/{\mathrm{cm}}^2}\times 100\%\end{배열}} $$

전산 방법

벌크 Ni₂의 에너지 및 전자적 특성 P는 밀도 함수 이론(DFT) 방법을 사용하여 계산되었습니다. VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)[40]는 프로젝터의 PAW(Augmented Wave Pseudo potentials)[41]와 Perdew-Burke-Ernzerhof 유형(PBE) GGA(generalized gradient approximation)로 계산하는 동안 채택되었습니다. ] 교환-상관 함수 방법. 9 × 9 × 9 Monkhorst−Pack Γpoint grid[43], 450eV로 차단된 운동 에너지, 10^{− 6} 의 에너지 기준이 있는 Brillouin 구역 잔류력이 0.01eV/Å 미만으로 수렴될 때까지 기하학적 최적화를 위해 eV를 적용했습니다. 육각형 Ni₂의 벌크 모델 P-62M 대칭이 있는 P가 고려되었습니다. 완전히 구조 최적화된 후 Ni₂의 격자 매개변수 피(아 =ㄴ =5.86918 Å 및 c =3.37027 Å)을 얻을 수 있으며 이는 보고된 값과 잘 일치합니다[44].

결과 및 토론

그림 1a, b는 Ni₂의 형태를 보여줍니다. Cd_0.5를 사용한 합성 전후의 P Zn_0.5 S QD(Ni₂ P 중량%:1.5%). 순수 Ni₂ P는 두께가 20nm 미만이고 평면 크기가 수십 나노미터에서 마이크로미터 범위인 많은 교차 나노시트로 구성된 꽃과 같은 형태를 가지고 있습니다. 순수 Ni₂의 XRD 패턴에서 그림 1c의 P에서 (111), (201), (210) 및 (300) 평면의 회절 피크는 각각 육각형에 해당하는 40.7°, 44.6°, 47.4° 및 54.2°에서 명확하게 관찰될 수 있습니다. Ni₂ P(JCPDF 번호 89-2742). Cd_0.5에 의해 로드된 후 Zn_0.5 S QD, 나노시트의 표면이 다소 거칠어지고 크기가 10nm 미만인 많은 나노입자가 깨끗한 Ni₂에서 구별될 수 있습니다. P 해골. 동시에 XRD 굴절 피크는 Cd_0.5 Zn_0.5 S(JCPDF no. 89-2943) (100), (002), (101) 및 (110) 평면은 각각 26.0°, 27.8°, 29.6° 및 45.9°에서 명확하게 찾을 수 있습니다 [6, 45] , Ni₂의 회절 신호 Ni₂의 낮은 중량비(1.5wt%)로 인해 P가 크게 저하됨 P ~ Cd_0.5 Zn_0.5 S. Cd_0.5의 공존 Zn_0.5 S 및 Ni₂ P는 그림 1d-f의 X선 광전자 분광계(XPS) 미세 및 조사 스펙트럼에 의해 입증되었습니다. 공기 흡수에서 발생하는 산소 및 탄소 신호를 제외하고 Ni, P, Cd, Zn 및 S만 검출할 수 있어 다른 불순물의 가능성을 배제합니다. 855.5 및 873.9eV의 피크는 Ni 2p_3/2에 할당할 수 있습니다. 및 2p_1/2 , 각각 및 P 2p_3/2의 피크 133.6eV에서 찾을 수 있습니다[16, 46]. 동시에, Zn 2p, Cd 3d 및 S 2p의 이중선 피크는 2가 Zn²⁺ 을 암시합니다. , CD²⁺ , 그리고 S²⁻ CD_0.5에서 Zn_0.5 S QD [3, 34, 47]. 간단히 말해서 Cd_0.5의 성장은 Zn_0.5 Ni₂의 S Ni₂의 형성을 위해 P 나노시트가 확립되었습니다. P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 나노복합체.

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Ni₂의 형태, 결정 속성 및 화학적 상태 P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 합성물(1.5wt% Ni₂ 피). a–b Ni₂의 저배율 및 고배율(삽입) SEM 이미지 Cd_0.5 로딩 전후의 P Zn_0.5 S, c Ni₂의 XRD 패턴 P 및 Ni₂ P-Cd_0.5 Zn_0.5 S, d–f XPS 벌금 및 Ni₂의 조사 스펙트럼 P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 합성

샘플의 미세 구조와 원소 조성은 TEM 관련 기술에 의해 추가로 조사되었습니다. 순수한 Ni₂의 다른 배율 TEM 이미지에서 P(그림 2a, b), 나노시트는 다공성이며 ~ 15–30 nm 크기의 가교된 불규칙한 나노입자로 구성됩니다. 그림 2c의 선택 영역 전자 회절 패턴(SAED)은 Ni₂의 회절 고리를 보여줍니다. P(111), (201), (210) 및 (300) 평면. (222), (402), (420)과 같은 고굴절률 평면의 회절 신호도 고에너지 전자의 강한 다중 산란으로 인해 감지할 수 있습니다. Cd_0.5로 합성한 후 Zn_0.5 S, 교차 Ni₂ P 나노시트는 ~ 7 nm 크기의 더 작은 나노입자로 덮였습니다(그림 2d). EDX 스펙트럼(삽입, 그림 2f)은 Ni₂의 공존을 나타내는 Ni, P, Cd, Zn 및 S의 신호를 명확하게 보여줍니다. P 및 Cd_0.5 Zn_0.5 S. SAED 패턴(그림 2f)에서 Cd_0.5의 강한 회절 고리 Zn_0.5 S(002), (110), (200) 평면(노란색 점선으로 표시)은 Ni₂의 약한 신호와 함께 명확하게 구별될 수 있습니다. P(300), (402) 및 (420)(흰색 점선으로 표시)은 Ni₂의 우수한 구성을 나타냅니다. QD가 있는 P. Ni₂ P(300) 링은 Cd_0.5와 겹칩니다. Zn_0.5 S(110), (200) 면으로 되어 있어 구분이 어렵습니다. Ni₂의 고해상도 TEM 이미지 P-Cd_0.5 Zn_0.5 그림 2e의 S 샘플은 Cd_0.5에 해당하는 0.34 및 0.22nm 간격의 격자 무늬를 추가로 보여줍니다. Zn_0.5 S(002) 및 Ni₂ P(111) 결정면은 각각. 고각 환형 암시야(HAADF) 이미지(그림 2g)로 표시된 영역에서 가져온 원소 EDX 매핑(그림 2h–l)은 Ni, P, Cd, Zn 및 S가 Cd_0.5의 성공적인 구성을 추가로 보여주는 샘플 Zn_0.5 다공성 Ni₂가 있는 S QD P 나노시트.

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Ni₂의 미세구조 P 및 Ni₂ P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 합성. a–c 및 d–f Ni₂의 다른 배율 TEM 이미지 및 SAED 패턴 P 및 Ni₂ P-Cd_0.5 Zn_0.5 S, 삽입 f 노란색과 흰색 대시 라인은 Cd_0.5를 나타내는 EDX 스펙트럼입니다. Zn_0.5 S 및 Ni₂ P, 각각. 지 고각 환형 암시야(HAADF)-STEM 이미지 및 h–l Ni₂의 해당 EDX 매핑 P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 합성

그림 3a는 H₂를 보여줍니다. Ni₂의 진화 속도 P-Cd_0.5 Zn_0.5 Ni₂ 함량에 따라 다양한 S 나노복합체 40mL 반응기에서 1mg의 공급 용량에서 P. 순수 CD_0.5 Zn_0.5 S는 광촉매 H₂를 보여줍니다. 12.6μM h^{− 1} 의 진화 속도 mg^{− 1} , 순수 Ni₂ P는 무시할 수 있는 수소 발생을 나타냅니다. Ni₂ 추가 P, Ni₂의 광촉매 활성 P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 합성물은 분명히 향상되었으며 43.3μM h^{− 1} 의 가장 높은 값에 도달했습니다. mg^{− 1} 1.5wt% Ni₂에서 P, 순수 Cd보다 거의 3.4배_0.5 Zn_0.5 S. Ni₂의 추가 추가 P(≥ 3 wt%)는 속성의 빠른 저하를 초래하고 H₂ 진화율은 순수 Cd_0.5 미만입니다. Zn_0.5 Ni₂일 때 S P는 5wt%로 증가합니다. 이러한 비선형 거동은 최적의 Ni₂가 존재함을 시사합니다. P 함량, 즉 적절한 로딩 밀도 Cd_0.5 Zn_0.5 Ni₂의 S P는 광촉매 속성입니다. 동시에 1.5wt% Ni₂의 안정성 P-Cd_0.5 Zn_0.5 S는 사이클링 테스트로 연구되었습니다(그림 3b). 총 16시간 동안 지속된 4개의 연속 주기 동안 H₂ 생성은 무시할 수 있는 열화와 함께 상대적으로 안정적으로 유지되어 합성물의 우수한 광촉매 안정성을 나타냅니다.

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Ni₂의 광촉매 특성 P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 합성물. 아 Ni₂의 다른 wt%에서 광촉매 수소 생성 P 및 b 1.5wt%의 Ni₂를 사용한 복합재의 사이클링 테스트 P는 작은 반응기(40mL, 1.0mg 광촉매)에서 테스트되었습니다. ㄷ 다양한 광촉매 양에서 수소 생산 속도 및 태양열 대 수소 효율(STH). 15~100mg 용량의 광촉매 시험은 150mL 반응기에서, 1~10mg 용량의 광촉매 시험은 40mL 반응기에서 수행하였다. d 1 및 100mg 복합 샘플(1.5wt% Ni₂)에 대한 수소 발생률 피)

촉매의 양이 STH 효율 및 H₂에 미치는 영향 생성은 1.5wt% Ni₂에 대해 체계적으로 연구되었습니다(그림 3c–d). P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 샘플. 동일한 조명 전력 밀도에서 부피가 40 및 150mL인 두 개의 일반적인 반응기가 채택되었습니다. 더 작은 반응기(40mL)에서 테스트할 때 STH와 H₂ 모두 촉매의 용량이 1에서 10mg으로 증가함에 따라 생성 속도가 증가하면 증가 단계는 용량보다 훨씬 적습니다. STH 및 H₂ 생성율은 0.45% 및 166μM h^{− 1} 에 불과합니다. 촉매의 투여량이 10mg으로 증가했을 때, 1mg 샘플의 거의 3.8배였습니다. 더 큰 반응기(150mL)의 경우 STH 및 H₂의 뚜렷한 증가 생성은 15에서 100 mg으로 증가된 용량과 1.53% STH 및 700 μM h^{− 1} 에서 찾을 수 있습니다. H₂의 생성은 15mg 촉매의 거의 3.1배인 100mg의 투여량에서 달성할 수 있습니다. 입사광이 더 깊은 반응기를 통과할 때 더 긴 경로를 갖는다는 것을 고려하면, 이러한 결과는 더 큰 반응기가 입사광의 이용에 더 유리함을 나타낸다. 그러나 STH 효율은 복용량이 약 100mg으로 증가하면 포화될 것이며, 이는 광 이용을 위한 최적의 복용량이 있음을 시사합니다. 최적의 H₂ 생성율은 CdZnS QDs-2D g-C₃보다 우수합니다. N₄ 마이크로리본(H₂ 발전 속도 33.4 mM h^{− 1} g^{− 1} ) [10], CD_0.1 Zn_0.9 S 나노입자-탄소 나노튜브(속도:1563μM h^{− 1} g^{− 1} ) [11], 샌드위치 구조의 C₃ N₄ /Au/CdZnS 광촉매(속도 6.15 mM h^{− 1} g^{− 1} ) [9] 및 CdS QDs에 민감한 Zn_1−x CD_x S 고용체(속도 2128μM h^{− 1} g^{− 1} ) [48].

강화된 광촉매의 메커니즘과 Ni₂의 상세한 역할을 밝히기 위해 P, 순수 Ni₂의 광학 및 전기화학적 특성 P, CD_0.5 Zn_0.5 S, 및 합성물은 그림 4에 의해 연구되었습니다. 흡수 스펙트럼(그림 4a)에서 순수한 Cd_0.5 Zn_0.5 S는 2.45eV의 밴드 갭에 해당하는 506nm에서 흡수 가장자리를 나타냅니다[13, 49]. 순수 Ni₂의 경우 P(삽입), 전체 가시 범위에 걸쳐 넓은 흡수를 찾을 수 있습니다. 구성 후 범위 <506 nm의 흡수 외에도 가시 파장> 506 nm에서 명백한 꼬리가 발견될 수 있으며, 이는 Ni₂의 기여에 기인할 수 있습니다. P. Ni₂에 따라 더 긴 파장에서 가시광선 흡수가 증가함에 따라 P, 합성물은 감소된 Cd_0.5 흡수를 나타냅니다. Zn_0.5 S(<506nm). 동시에 광발광 스펙트럼(그림 4b)은 순수한 Cd_0.5 Zn_0.5 S는 400nm의 파장에서 여기될 때 ~ 620nm에서 집중적인 밴드 가장자리 발광을 보입니다. 조성 후 Ni₂를 첨가하면 점차적으로 저하됩니다. P. Ni₂의 함량이 높다는 점을 고려하면 P는 더 많은 Ni₂를 유도합니다. P/Cd_0.5 Zn_0.5 전하 이동을 향상시키고 전하 재결합을 억제하는 데 도움이 되는 S 인터페이스, PL 강도의 감소는 Ni₂에서 감소된 캐리어 재결합 및 향상된 전하 이동에 의해 이해될 수 있습니다. P/Cd_0.5 Zn_0.5 S 인터페이스.

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Ni₂의 효과 Ni₂의 광학 및 전기화학적 특성에 대한 P 함량 P-Cd_0.5 Zn_0.5 S 합성. 아 UV-Vis 흡수 스펙트럼(삽입 순수 Ni₂ 피), b 광발광 스펙트럼 및 c EIS 스펙트럼. d 순수 Ni₂의 LSV 곡선 및 EIS(삽입) 스펙트럼 P

Ni₂의 효과적인 역할 전하 이동 프롬프트의 P는 Ni₂에 따라 EIS 스펙트럼에 반영될 수도 있습니다. P 콘텐츠(그림 4c). 등가 회로(그림 4c 삽입)에서 볼 수 있듯이 촉매/전해질 계면에서 전하 전달 저항(Rct)은 R-C 등가 회로를 기반으로 하는 Nyquist 플롯의 반원 반경으로 평가할 수 있습니다. 등가 직렬 저항(ESR)은 곡선과 실제 저항(Z ') 축이고 전하 이동 저항(Rct)은 더 높은 주파수에서 그려진 반원의 너비에 해당합니다. R_CT 순수 Cd_0.5 Zn_0.5 S는 반도체 특성을 나타내는 17,320Ω입니다. 1, 1.5, 3wt% Ni₂로 조성 후 P, R_CT Ni₂의 향상을 암시하는 각각 8432, 7721 및 5473 Ω으로 점진적으로 감소합니다. 전기 전도도의 P. 실제로 Ni₂ P는 HER에 대한 좋은 전기촉매로 여겨져 왔다[44, 50, 51]. 순수 Ni₂의 LSV 곡선에서 그림 4d에 표시된 Ni 발포체의 P, Ni₂ P는 10 및 50mA/cm의 전류 밀도를 연결하기 위해 84mV 및 201mV의 과전위와 함께 우수한 HER 활성을 가지고 있습니다.² (iR 보정 없음), 각각. EIS 스펙트럼(그림 4d 삽입)은 Ni₂ P는 R_CT가 매우 낮습니다. (~ 7.3 Ω), Ni₂의 금속 특성을 나타냅니다. P. 따라서 Ni₂ P는 Cd_0.5에서 전기 전도도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 Zn_0.5 S/Ni₂ P 인터페이스, 그러나 또한 HER에 대한 효과적인 활성 부위를 제공하여 합성물의 광촉매 특성을 향상시킵니다.

Ni₂의 추가를 고려하면 P는 파장 <506nm에서 흡수를 감소시켰습니다. Ni₂의 광 흡수 여부를 입증할 필요가 있습니다. P는 수소를 생성하는 데 사용될 수 있습니다. Ni₂의 밴드 구조 그런 다음 DFT 계산으로 P를 연구했습니다. 그림 5a, b는 벌크 Ni₂의 볼 및 스틱 모델을 나타냅니다. P 및 계산된 밴드 구조. 그림 5b에서 밴드 갭이 감지되지 않았으며 Ni₂의 금속 특성을 나타냅니다. P는 위의 EIS 결과와 잘 일치합니다. 이는 광전자가 주로 Cd_0.5의 광여기에 기인한다는 것을 나타냅니다. Zn_0.5 Ni₂가 아닌 S P. 또한 Ni₂의 페르미 준위 P(자동차 파일에서 얻음)는 1.03V 대 NHE에 위치하며, Cd_0.5의 전도 대역 최소(CBM) 수준(- 1.04V 대 NHE)보다 훨씬 낮습니다. Zn_0.5 S QD [13].

<그림>

광촉매 H₂의 밴드 다이어그램과 전하 분리 및 전달 메커니즘 진화. 아 (001) 표면 종료 벌크 Ni₂의 볼 및 스틱 모델의 평면도 P. b Ni₂의 계산된 밴드 구조 빨간색 점선은 페르미 준위를 나타내는 P입니다. ㄷ 광촉매 H₂의 전하 분리 및 이동을 보여주는 도식적 메커니즘 세대

따라서 광촉매 H₂에 대한 개략적인 메커니즘이 입증되었습니다. 그림 5c에 의한 합성물의 진화. Ni₂의 페르미 준위의 위치 P는 Cd_0.5에서 광 발생 전자의 이동에 에너지적으로 유리합니다. Zn_0.5 S ~ Ni₂ 그런 다음 P는 계면에서 광 여기된 전자와 정공의 분리를 촉진하여 전하 재결합을 억제합니다. 동시에, H₂ Ni₂의 활성 사이트에서 효율적으로 진화합니다. P는 복합재의 우수한 HER 활성과 큰 비표면적 때문입니다. Ni₂의 긍정적인 역할 P 담당 이동 및 HER 활동은 Ni₂의 낮은 함량에서 우세합니다. P(≤ 1.5중량%). 함량이 1.5wt%를 초과하면 Ni₂의 차광 효과 광 흡수의 P는 긍정적인 측면을 극복하여 H₂의 저하로 이어집니다. 세대. 최적의 광촉매 특성은 1.5wt% Ni₂에서 달성됩니다. 두 효과가 균형에 도달하면 P.

결론

Cd_0.5의 역 구조 Zn_0.5 Ni₂의 S QD 효율적인 광촉매 H₂를 위해 P 다공성 나노시트를 제작했습니다. 생산. Ni₂ P 다공성 나노시트는 7nm 크기의 Cd_0.5의 효과적인 로딩을 허용하는 15-30nm 크기의 나노 입자로 구성되었습니다. Zn_0.5 S QD. Ni₂ 첨가로 전하 분리 및 이동 특성이 향상됨에 따라 P 0 ~ 5wt%, Cd_0.5의 광 흡수에 좋지 않은 경쟁적인 음영 효과 Zn_0.5 S가 유도됩니다. 최적의 광촉매 H₂ 43.3μM h^{− 1} 생성 (복용량 1mg)은 1.5wt% Ni₂에서 달성됩니다. P. 최적 함량 기준으로 촉매 공급량에 따른 광촉매 의존성은 100mg의 투여량에서 STH 효율이 1.5%의 가장 높은 값에 도달함을 보여줍니다. The high HER activity and band structure of Ni₂ P were revealed, confirming the effective role of Ni₂ P in prompting photocatalytic H₂ evolution dynamics from both experimental and theoretical aspects. The heterostructure of Cn_0.5 Zn_0.5 S QDs-Ni₂ P porous nanosheets can not only help to prompt the photo-excited charge separation and transfer, but also speed up the dynamics of hydrogen evolution reaction via the co-catalytic role of N_i2 P, thus enhances the photocatalytic hydrogen generation property. Such a method can be applied to other catalysts toward efficient photocatalytic property.