如何提升异质结光催化性能？结构设计+理论计算

研究背景

 在最近的几十年中，氢气被公认为是脱碳可持续燃料体系中不可或缺的重要元素。而光催化技术已经逐渐成为利用太阳能产生氢气和降解有机污染物的有力途径。最近，一种非金属的有机聚合物石墨相氮化碳（g-C₃N₄）半导体由于其合适的带隙和能带位置，并且在可见光照射下产生氢气而受到了全世界的科学关注。然而，由于其对可见光响应不足、载流子复合速率快及其块状材料表面积小等缺点，导致了g-C₃N₄在光催化中的性能较差。

Experimental and DFT Studies of Au Deposition Over  WO₃/C₃N₄ Z-Scheme Heterojunction

Muhammad Humayun, Habib Ullah, Junhao Cao, Wenbo Pi, Yang Yuan, Sher Ali, Asif Ali Tahir, Pang Yue, Abbas Khan, Zhiping Zheng, Qiuyun Fu, Wei Luo*

Nano-Micro Lett.(2020)12:7

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0345-2

本文亮点

 

1 对Au修饰的WO₃/g-C₃N₄ Z型异质结进行了结构设计和密度泛函理论计算研究。

2 420 nm波长下的产氢量子效率达到4.17%。3 经过优化后的4Au/6WO₃/CN复合材料表现出高效的产氢和2,4-DCP降解性能，这归因于WO₃/g-C₃N₄复合材料中载流子分离的改善和Au的表面等离子体共振效应。

内容简介

华中科技大学光学与电子信息学院罗为副教授课题组通过化学法制作了Au修饰的WO₃/g-C₃N₄ Z型异质结，经优化后在可见光和紫外-可见光下的催化活性显著提高，经计算，该催化剂在420 nm波长下的产氢量子效率达到4.17%。

通过实验证实，g-C₃N₄的增强活性归因于：1. 通过偶联的纳米级WO₃大大改善了电荷载流子的分离和转移；2. Au纳米粒子的表面等离子体共振效应促进了电荷载流子的分离和氧化还原能力。

此外，我们为了验证和核对实验结果，与英国埃克塞特大学（University of Exeter）合作，实验并行完成了周期性密度泛函理论（DFT）的仿真。模拟的表面形成能证明了Au/WO₃/g-C₃N₄界面结的稳定性，并证明了非键相互作用。最后我们详细阐述了该催化剂用于太阳能氢气和污染物的降解的光催化机理。这项工作将有助于CN基高效催化剂的未来发展，对于满足能源和环境需求具有重要意义。

图文导读

I 光催化剂的形貌结构表征

图1 (a)CN的TEM图像；(b)6WO₃/CN复合材料的高分辨TEM图像，插图为其TEM图像；(c)4Au/6WO₃/CN复合材料的TEM图像；(d)4Au/6WO₃/CN复合材料的高分辨TEM图像，插图为其选区TEM图像；(e)WO₃的TEM图像；(f)WO₃的高分辨TEM图像。

II 根据电荷密度差（CDD）计算6WO₃/CN和4Au/6WO₃/CN异质结中的电荷间转移情况

图2 (a)6WO₃/CN和(b)4Au/6WO₃/CN复合材料的平均电子差密度以及静电势图。绿色和黄色阴影区域分别表示电子积累和电子输出。

III 催化剂的产氢活性

图3 (a)CN和xWO₃/CN催化剂在可见光照射下的产氢性能；(b)6WO₃/CN和yAu/6WO₃/CN催化剂在可见光照射下的产氢性能；(c)CN 和 xWO₃/CN催化剂在紫外-可见光照射下的产氢性能；(d)6WO₃/CN和yAu/6WO₃/CN催化剂在紫外-可见光照射下的产氢性能；(e)在可见光下和(f)在紫外可见光下的产氢稳定性和循环性测试。

IV 光催化机理

图4 4Au/6WO₃/CN复合材料的能带分布、光生载流子的分离和转移及其光催化过程示意图。

作者简介

罗为 副教授
本文通讯作者

华中科技大学光学与电子信息学院

▍主要研究领域声表面波传感器的设计、模拟与制备；光与纳米材料（石墨烯、碳纳米管等）相互作用。▍主要研究成果从事微波射频材料与器件及光催化材料方面的研究工作，有丰富的数值计算、材料制备和器件设计经验。近五年主持和参与国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目。在Applied Catalysis B: Environmental、small、Nano-Micro-Letters、Sensors and Actuators B、Nano Research等杂志上以第一作者和通讯作者发表学术论文十余篇。获批国际、国内发明专利7项，获得中国电子学会技术发明一等奖（2018，第二）和科技进步一等奖（2014，第六）各一项。是美国电气和电子工程师协会（IEEE）会员。▍个人主页http://oei.hust.edu.cn/info/1136/4703.htm

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撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报》编辑部

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