​纳米中心/高能物理所AFM: Pd单原子结合S型异质结,实现可见光驱动高效产H2

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太阳能驱动水分解是一种实现可再生能源有效利用和零排放的可持续制H2方法。为了实现高效的太阳能-H2转化,需要设计具有合适带隙和高光生电荷分离/转移效率的光催化剂。最近,有机-无机S型异质结构作为纳米尺度异质结构光催化剂设计的一个新方向,受到了人们的广泛关注。


目前,已经有许多关于g-C3N4/CdS的研究,但通过单原子催化剂(SA)调制g-C3N4/CdS S型异质结的光催化产氢活性的报道很少。此外,在包含S型异质结构和SA的多元光催化系统的逐步合成时,传统试错方法面临的关键挑战在于成本低效、耗时、不可扩展的能力等。在这种情况下,一个简单的一步法是非常可取的,尽管相关的研究也仍然缺乏。
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近日,国家纳米科学中心曾庆祷刘刚中国科学院高能物理研究所郑黎荣等首先采用第一性原理密度泛函理论(DFT)计算方法模拟了Pd-g-C3N4/CdS分级光催化剂的原子结构、界面相互作用和热力学参数。
团队在理论计算的指导下通过一锅球磨法制备出Pd-g-C3N4/CdS分级光催化剂。实验结果表明,g-C3N4与CdS之间的电子相互作用导致形成具有内建电场介导的S型异质结构,这有助于光生电荷分离和转移;同时,催化剂中Pd-S3和Pd-N2原子位点不仅能够通过优化Pd SAs的d带中心来调制H吸附能,而且还可以通过Pd-S和Pd-N键提供超快电子转移通道,起到了促进电荷转移的作用。
因此,在一系列Pd-20% g-C3N4/CdS分级复合材料中,1% Pd-20% g-C3N4/CdS具有优异的光催化活性,在420 nm处的AQE为28.8%,H2产率为85.66 mmol h-1 g-1,分别比20% g-C3N4/CdS和CdS NPs高约20倍和51.3倍。
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此外,基于理论计算和系统表征结果,研究人员Pd-g-C3N4/CdS的光催化机理。首先,在可见光照射下,在g-C3N4纳米粒子和CdS纳米粒子的CB和VB中产生了光生电子-空穴对;随后,部分位于CdS纳米粒子的CB中的光生电子传输到g-C3N4纳米粒子的VB中,并与由内建电场和能带弯曲驱动的空穴重新结合(即一个S型的电子转移通路);同时,Pd SAs表现为通过Pd-N和Pd-S键积累光生电子的电子库,光生电子还原吸附在Pd-g-C3N4/CdS复合材料表面的H产生H2,而聚集在CdS纳米粒子VB中的光生空穴被乳酸消耗。
综上所述,Pd SAs和g-C3N4/CdS异质结协同促进了光生载流子的分离和迁移,从而显著改善了光催化H2生产性能。
S-Scheme g-C3N4/CdS heterostructures grafting single Pd atoms for ultrafast charge transport and efficient visible-light-driven H2 evolution. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202402797
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