​西北大学CEJ：S型异质结构In2.77S4/NiS2/g-C3N4实现高效光催化产氢

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化石燃料的消耗大大增加了二氧化碳的排放，引发了一系列的环境问题，如温室效应。此外，化石燃料在未来是不可再生和稀缺的，难以长期满足人类发展的要求。氢气(H₂)具有高能量密度和高热值的特点，被认为是替代传统化石燃料的能量载体。有必要采用可再生能源(如太阳能)来生产氢气，以实现碳达峰和碳中和的目标。

光催化水分解制氢是在温和条件下直接利用太阳能无碳排放获得绿色氢气的一种有前景的策略，

因此西北大学孙涛和刘恩周(共同通讯)等人通过原位溶剂热法制备了In_2.77S₄/NiS₂异质结，然后将其引入g-C₃N₄表面，通过简单的物理溶剂蒸发过程制备了In_2.77S₄/NiS₂/g-C₃N₄三元S型异质结构催化剂。

在300 W氙灯照射下，在20v% TEOA水溶液中评估了材料的光催化析氢活性。纯g-C₃N₄具有微弱的析氢能力，产氢速率为142.6 μmol g^-1 h^-1。In_2.77S₄微球的产氢速率为221.5 μmol g^-1 h^-1，优于g-C₃N₄纳米片，但仍然很低。引入NiS₂后，In_2.77S₄/NiS₂的产氢速率提高至291.4 μmol g^-1 h^-1，表明NiS₂可能是一种助催化剂。

In_2.77S₄/NiS₂的引入可以逐渐提高三元复合材料的活性，其中20 wt%的In_2.77S₄/NiS₂/g-C₃N₄异质结构的产氢速率达到了7481.7 μmol g^-1 h^-1，分别是纯g-C₃N₄、In_2.77S₄和In_2.77S₄/NiS₂的52.5、33.8和25.7倍。

当In_2.77S₄/NiS₂的含量大于20wt%时，In_2.77S₄/NiS₂/g-C₃N₄的电荷密度降低，这可能是由于In_2.77S₄/NiS₂过量产生的屏蔽效应和不平衡的电荷迁移造成的。

作为对比，还研究了20wt% In_2.77S₄/g-C₃N₄和20 wt% NiS₂/g-C₃N₄的性能，20wt% In_2.77S₄/NiS₂/g-C₃N₄的产氢速率分别是20wt% In_2.77S₄/g-C₃N₄和20wt% NiS₂/g-C₃N₄的28.5倍和12.5倍。

本文成功地制备了以NiS₂为电子桥的三元In_2.77S₄/NiS₂/g-C₃N₄ S型异质结构催化剂。NiS₂可以降低界面处的电子转移电阻，从而加快电子从In_2.77S₄的导带向g-C₃N₄的价带的转移，使更多的电子和具有较强氧化还原能力的空穴参与表面反应。

根据光电化学实验和密度泛函理论(DFT)计算，进一步表明g-C₃N₄和In_2.77S₄之间的载流子转移遵循S型电荷转移途径。NiS₂电子桥使S型异质结构催化剂具有更高的电荷分离效率，S型电荷转移途径和NiS₂电子桥的协同作用可以增强催化剂的催化活性。

此外，In_2.77S₄/NiS₂的引入不仅为析氢反应提供了更多的活性位点，而且进一步降低了反应的过电位，从而使得催化剂具有出色的光催化产氢动力学。本工作为通过引入适当的电子桥，设计和合成高效稳定的高活性g-C₃N₄基S型异质结构催化剂提供了一种策略。

Efficient photocatalytic H₂ generation over In_2.77S₄/NiS₂/g-C₃N₄ S-scheme heterojunction using NiS₂ as electron-bridge, Chemical Engineering Journal, 2022, DOI: 10.1016/j.cej.2022.141249.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141249.

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