吳 凱

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

化石能源的過度消耗以及由此帶來的環(huán)境問題日漸突出，開發(fā)利用可再生新能源迫在眉睫，近年來氫氣被認為是一種清潔替代能源。自從發(fā)現(xiàn)利用TiO2光催化分解水制氫(PHER)1以來，半導(dǎo)體光催化劑制氫技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)受到人們的極大關(guān)注2,3。金屬硫化物(這里主要指 ds區(qū)和 p區(qū)金屬)一般擁有較窄的帶寬以及合適的導(dǎo)帶位置，對太陽光譜的響應(yīng)較強4。其中，CdS作為窄帶隙半導(dǎo)體，其帶隙為2.4 eV，可以吸收520 nm波長以下的可見光和紫外光，加之其導(dǎo)帶位置遠高于H+/H2反應(yīng)電勢，使得CdS成為PHER的優(yōu)秀半導(dǎo)體材料之選5。雖然CdS是一個優(yōu)秀的光子捕獲材料，但是其自身僅表現(xiàn)出有限的 PHER活性，這是因為光生電子和空穴的快速復(fù)合使得其對光能的利用率很低，同時光腐蝕現(xiàn)象也制約著其快速發(fā)展。因此，延長光生電荷的壽命以及加快表面反應(yīng)對其的消耗是提高CdS量子產(chǎn)率的關(guān)鍵6。

為了提高光生電荷的利用率，催化劑表面需要有足夠合適的活性或反應(yīng)位點，加快表面的氧化或還原反應(yīng)過程以降低光生電荷的重新復(fù)合機率，因此構(gòu)建合適的表面結(jié)構(gòu)模型將變得十分必要。催化劑的表面微結(jié)構(gòu)，包括晶面原子排布、缺陷位、異質(zhì)結(jié)界面等，能顯著地影響表面化學反應(yīng)過程。為了研究此構(gòu)效關(guān)系，仍然需要構(gòu)筑簡單化的表面模型。鑒于此研究領(lǐng)域的重要性，武漢大學化學與分子科學學院洪昕林、劉國亮等人研究了形貌可控的硫化鎘納米晶的表面缺陷調(diào)控及鈀修飾對光催化水分解制氫性能的影響。

該工作已在物理化學學報上在線發(fā)表(doi:10.3866/PKU.WHXB201803061)7。該工作主要討論了長棒、短棒和三角片狀三種不同形貌的CdS具有不同的表面缺陷程度，在PHER反應(yīng)上表現(xiàn)不同的活性。他們認為表面缺陷位提供了光生電荷的誘捕位點，從而促進了光生電荷的有效分離。為了進一步提高表面光生電荷的有效利用率，他們還在CdS基底上沉積了約1% (w，質(zhì)量分數(shù))PdS來進行表面修飾，一方面促進了光生電荷的轉(zhuǎn)移和分離，另一方面降低表面化學反應(yīng)的勢壘，最終 PHER的效率得到大幅提升，最高制氫產(chǎn)率達到了 7884 μmol·h-1·g-1。希望本文能夠為了解納米晶體的表面結(jié)構(gòu)調(diào)控對光催化性能的影響提供認識。