哈工大孙净雪/陈刚：3D多孔碳中利用光热-热释电共同促进光生电荷分离及光催化产氢

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第一作者：李萌

通讯作者：孙净雪, 陈刚

DOI: 10.1016/j.apmate.2022.01.005

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研究背景

光催化分解水制氢有望解决日益严重的能源短缺和环境污染问题。大多数传统的半导体光催化剂只吸收紫外线和可见光，仍有近45%的近红外光没有得到适当利用。光热效应为近红外光谱的应用提供了有利的途径。但是过高的温度会增加光催化剂中光载体的碰撞几率。这将有利于光生载流子的复合，降低光催化活性。热释电效应是极化强度随温度变化时电荷释放的过程。当热释电材料的温度振荡时，会发生自发极化，从而释放一些束缚在表面的电荷，进一步提高载流子的分离效率。因此，热释电效应被引入到光催化过程中，使得具有优异光热转化率的近红外被充分利用。在本文中，我们构建了多孔蜂窝状结构的CdS/Bi₂S₃@C复合光催化剂。3D多孔蜂窝状碳具有优异的隔热能力，起到很强的保护光热效应的作用。这为热释电效应提供了更大的温度波动。Bi₂S₃作为光热和热释电材料，吸收近红外并将其转化为热量。光热效应和冷光催化系统之间的存在较大的温度差，从而促使Bi₂S₃产生热释电效应释放有效电荷。因此抑制CdS纳米粒子中电子和空穴的复合，有效提高光催化析氢活性。02
创新点

在本文中，构建了CdS/Bi₂S₃负载的三维(3D)多孔蜂窝状碳结构(CdS/Bi₂S₃@C)复合光催化剂。CdS/Bi₂S₃@C光催化剂的析氢率可达5.88 mmol·g^-1h^-1，具有良好的循环稳定性。具体创新点如下：(1) 3D多孔蜂窝状碳结构充当保温箱，防止热量损失，最大限度地利用光热效应3D多孔蜂窝状固体质量较轻，其内部结构的大量空隙导致其密度较低(0.409 g /cm³)。3D多孔蜂窝状碳具有优异的隔热能力，起到很强的保护光热效应的作用。这为热释电效应提供了较大的温度波动。图1. CdS/Bi₂S₃@C复合光催化剂的形貌表征。
(2) COMSOL数值模拟不同温度下的热释电值当氙灯照射1 min时，体系温度达到30.7°C，热释电值为1.2 V。此外，当照射3 min时，体系温度达到42.2°C，热释电值为2.5 V，连续照射6 min，体系温度达到最高值为48.8°C，热释电值为2.9 V。图2.不同光催化剂的升温/降温曲线与热释电值。

(3) 光热效应和冷光催化系统之间的温差为热释电效应提供了驱动力

Bi₂S₃作为光热材料吸收NIR并将其转化为热量，为热释电效应提供了热端。冷光催化系统充当热释电效应的冷端。二者之间的温差为热释电效应提供了强大的外部驱动力。这使得热释电材料Bi₂S₃在两端产生不同的束缚电荷。正电荷持续吸引CdS光催化剂中的电子，而负电荷吸引空穴。

图3. 热释电效应与光催化反应析氢机理图。

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作者简介

孙净雪，哈尔滨工业大学副教授，博士生导师。从事能量转换功能材料方面的研究工作，以第一及通讯作者身份在《Energy Environ. Sci.》、《Nano Energy》、《Appl. Catal. BEnviron.》等杂志发表SCI论文30余篇，H因子=30。作为负责人承担国家自然科学基金等项目10项。

陈刚，哈尔滨工业大学教授，从事光催化分解水、电化学储能以及电催化等新型功能材料的研究。近5年在《Angewandte Chemie International Edition》、《Advanced Materials》、《Advanced Energy Materials》《Advanced Functional Materials》、《ACS Nano》、《Nano Energy》、《ACS Energy Letter》等期刊上发表SCI收录论文120余篇。

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文章信息

Meng Li, Jingxue Sun, Gang Chen, Shuang Wang,Shunyu Yao, Inducing photocarrier separation via 3D porous faveolate cross-linked carbon enhanced photothermal/pyroelectric property, Advanced Powder Materials, DOI: 10.1016/j.apmate.2022.01.005.

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