第一作者：雷永刚
通讯作者：赖跃坤
DOI:10.1016/j.jclepro.2021.129018
本文亮点
利用半导体修饰在MoC表面, 使其活性进一步活化，MoC作为一种助催化剂与半导体CdS耦合,从而提高光催化产氢性能。2021年9月，Journal of Cleaner Production杂志在线发表了福州大学赖跃坤教授团队在光催化制氢领域的最新研究成果。该工作报道了在片状MoC上通过溶液混合的方法修饰了半导体CdS纳米粒子，所制备的复合材料，MoC和CdS可以形成有效的异质结光催化剂，显示了更高的光催化活性。论文第一作者为：雷永刚，论文通讯作者为：赖跃坤。光催化分解水制氢是一种有效的方法对于解决能源危机和环境污染问题。在过去很多年，比如利用贵金属，构建新型的异质结，优化电子结构和缺陷工程被采用改善光催化剂，克服光催化产氢的困难。通常，基于半导体的光催化剂包括CdS、TiO2、C3N4 等因其可调节的带隙结构、高电荷电导率和明确的光电活性而受到青睐，特别是低成本且易于合成的CdS材料具有吸引力。但是，它的活性仍然低于STH的商业化标准 > 10%，可能是由于其低光子能力和对光腐蚀的高敏感性。虽然加入贵金属具有稳定作用，但从经济角度来看，这种策略并不可行。碳化钼 (MoC) 已被视为贵金属的良好替代品，主要是它拥有较低的吉布斯自由能。因此，已报到了很多有关碳化钼与半导体的合成方法，其中溶液混合利用静电吸附是最简便的方法之一。该合成路线具有制备条件绿色、易于规模化和无还原剂的特点，被认为是规模化生产的潜在途径。我们的工作提出了一种简便的一步溶液混合的方法，将半导体CdS沉积到MoC片上以增强 HER 活性。首先在室温下通过溶液混合的方法合成CdS纳米粒子，随后高温晶化使其结晶度变高，随后加入一定量准备的MoC，搅拌混合均匀, 将半导体CdS沉积到MoC表面上。通过TEM图可以看到,纯的CdS纳米粒子是分布均匀，很少出现团聚，并且表现多晶属性，同时MoC展示良好的片层结构，而复合材料能够明显的看到CdS纳米粒子负载在MoC表面，并且对MoC的结构没有太大影响。HAADF-SEM 元素mappings发现Cd、S、Mo、C分布均匀,说明CdS/MoC异质结光催化剂的形成构建成功。在可见光（λ>420 nm）照射下，图a显示了所有准备的光催化剂随着时间变化的产氢动力学曲线，显示了良好的增长趋势。图b显示了纯CdS、MoC和不同量MoC的复合材料CdS/MoC等产氢速率对比, 显然，原始CdS表现出较小的HER活性, 仅为29.8 μmol·h-1，主要由于CdS的光生电子与空穴发生再复合现象。明显的，MoC的量为5 wt.%时光催化剂CdS/MoC表现出最佳 HER 速率，达到224.5 μmol·h-1的H2，相对应于原始CdS增加7.5倍，并且明显高于贵金属Pt的活性。图c显示了特殊催化剂的对比，结果表明MoC可以作为一种有效地助催化剂。并且图d对最佳催化剂CdS/MoC(5 wt%)循环稳定性进行研究，发现其拥有良好的稳定性,并且在每个循环中高于CdS的活性。光电化学测试表明，半导体CdS负载到MoC表面, 能够明显的提高光电流, 降低阻抗, 降低产氢过电位，提升电流密度, 促进光生电荷的分离效率，从而使MoC拥有良好助催化效果。基于结果和分析，提出了如图5所示的增强CdS/MoC光催化产氢性能的机制。CdS 将用作光吸收剂，在光激发过程中产生电子-空穴对。电子能够有效的从CdS转移到MoC表面，促进光生电荷的分离，而空穴能够被乳酸消耗，因此，电荷再复合能够被有效的降低，致使高效的光催化产氢，对于原始的CdS光催化剂，其低光催化活性主要归因于光生电荷的快速复合。该工作报道了一种简单的物理混合的方法将CdS纳米粒子分散到MoC表面，通过产氢性能的测试，发现最佳复合材料CdS/MoC(5 wt.%)展示了最高的光催化产氢速率为224.5 μmol·h-1。并且通过DFT计算发现CdS/MoC拥有较低的吉布斯自由能，除此之外，还通过光电化学和荧光表征对机理进行了研究。最后，确认MoC能够作为一种有效地助催化剂在改善光催化产氢方面。赖跃坤，福州大学教授，博士生导师，2018、2019、2020连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”，福建省“闽江学者”特聘教授，省“杰出青年“基金、“百人计划”项目获得者。长期从事多相分离与过滤纯化、环境与能源化工催化、仿生表界面特殊浸润性膜层开发等方面研究。发表国内外知名期刊上合作发表SCI论文160多篇, SCI论文引用10000余次，h-index为59。申报发明专利50余项，包括10项PCT国际专利，已授权中国发明专利20余项。担任国际化工主流期刊Chemical Engineering Journal期刊Associate Editor（影响因子13.273），Journal Nanoscience Letters副主编，Journal of Nanomaterials首席客座编辑，以及《物理化学学报》，Polymers，Coatings，Journal of Materials & Applied Science, Journal of Nanomedicine and Nanotechnology和Advanced Research of Textile Engineering等期刊编委。https://yklai.fzu.edu.cn/
文献信息：
Yonggang Lei, Xingwang Wu, Shuhui Li, Jianying Huang, Kim Hoong Ng, YuekunLai*. Noble-metal-free metallic MoC combined with CdS for enhanced visible-light-driven photocatalytic hydrogen evolution. Journal of Cleaner Production, 2021, 322, 129018.Labsolar-6A全玻璃自动在线微量气体分析系统，以其极低的泄漏率（＜2 μmol/24 h @O2），为光催化全分解水提供了更加完善的解决方案。配合上高灵敏度的热导检测器（TCD），可以实现更低检出量、更长反应周期的全分解水实验。使实验者不必再担心装置气密性不良，体系外环境气氛对装置内结果造成影响，数据的准确性有了进一步的提升。北京泊菲莱科技有限公司作为国内光催化科研仪器的创领者，致力于多场景、跨领域的仪器应用、开发。公司近年来在深耕光催化研究领域的同时，在多场催化、多种复合能量场方面取得了一系列成果。公司近期推出的多功能光化学反应仪、光化学工作站、光热催化反应系统等设备，进一步拓宽产品在光、电、热、压等多种复合能量场方面的应用。产品推荐
本文素材来源：福州大学赖跃坤教授团队。