Эффективное производство водорода видимым светом с PtNi аллоя-коакселератором на Eosin Y-сенсибилизированном гибриде g-C₃N₄/GO

Аннотация

Сочетание платино-никелевого (PtNi) аллоя-коакселератора с гибридом g-C₃N₄/оксид графена (GO), сенсибилизированным органическим красителем Eosin Y, обеспечивает беспрецедентную скорость эволюции водорода 5,89 ммоль г⁻¹ ч⁻¹ под облучением видимым светом. PtNi аллой, синтезированный простым химическим восстановлением и ультразвуковым подходом, снижает загрузку Pt, сохраняя каталитическую активность. Сравнительные исследования показывают, что PtNi система в 1,54 раза активнее чистого Pt и в 1178 раз активнее чистого Ni, подчеркивая синергетическое взаимодействие, способствующее электронному переносу и увеличению реактивных мест. Кинение фоtoluminescence и переходные фотоконтактные измерения подтверждают, что аллой улучшает разделение зарядников, тем самым эффективно управляя реакцией эволюции водорода (HER).

Введение

Солнечное производство водорода предлагает чистую альтернативу ископаемым топливам. Для практической реализации этой технологии необходимы видимо-световые фото катализаторы и эффективные, дешевые коакселераторы. Хотя благородный металл Pt высокоэффективен, его дефицит и стоимость мотивируют разработку биметаллических аллоев, заменяющих часть Pt на более дешевые переходные металлы, такие как Ni. Предыдущие исследования PtNi или PtCo аллоев на полупроводниковых носителях продемонстрировали сопоставимую или высокую HER активность. Здесь мы впервые сообщаем об использовании Eosin Y-сенсибилизированного гибрида g-C₃N₄/GO, декорированного PtNi аллоем, достигая рекордного водородообразования из воды под имитированным солнечным светом.

Материалы и методы

Подготовка g-C₃N₄ и GO

Полимерный g-C₃N₄ получен термическим конденсацией мочевины при 600 °C в течение 2 ч. GO синтезирован модифицированным методом Hummers и сублимационной сушкой. Композит g-C₃N₄/GO (массовое соотношение 2:1) ультразвуково диспергировали в воде для продвижения интимного контакта.

Осаждение PtNi аллоя

Соли Pt и Ni одновременно добавляли в безаводный этаноловый раствор g-C₃N₄, за которым следовало восстановление NaBH₄. Одновременная загрузка Pt и Ni (молярное соотношение 1:1) дала равномерно распределенные PtNi наночастицы (средний диаметр <5 нм) на матрице g-C₃N₄/GO. Полученный композит (PtNi/GO-0,5%) собирали, промывали и сушили при 60 °C.

Фотокаталитические тесты

Эволюция водорода измерялась в пирексовом реакторе, содержащем 100 мл 20% (об/об) водного раствора триэтаноламина (TEOA) (pH = 7) с 50 мг фотокатализатора и 50 мг Eosin Y. 300-Вт ксеноновая лампа (λ > 420 нм) освещала суспензию, и H₂ квантифицировали газовой хроматографией.

Результаты и обсуждение

Структурная характеристика

Рентгеновская дифракция подтвердила графитоподобную структуру g-C₃N₄ (2θ = 13,8° и 27,4°). TEM изображения раскрыли тонкую слоистую морфологию и подтвердили наличие мелких, хорошо диспергированных PtNi наночастиц. XPS анализ показал Pt в близком к нулю состоянии окисления, в то время как Ni продемонстрировал легкий сдвиг к меньшей связывающей энергии, указывающий на формирование аллоя. Соотношение Pt:Ni определялось как 9:11 по XPS, близкое к целевому 1:1 молярному соотношению.

Производительность эволюции водорода

Композит PtNi/GO-0,5% достиг 5,89 ммоль г⁻¹ ч⁻¹, превосходя Pt/GO (3,82 ммоль г⁻¹ ч⁻¹) и Ni/GO (0,005 ммоль г⁻¹ ч⁻¹). Оптимизация Pt/Ni соотношения раскрыла максимум при 1:1; увеличение Ni за этим соотношением снижало HER активность из-за потери активных мест Pt. Оптимальная загрузка PtNi составляла 0,5 вес.% относительно матрицы g-C₃N₄/GO; более высокие загрузки препятствовали поглощению света и слегка снижали производительность.

Стабильность

Четыре последовательных 4-часовых цикла облучения показали падение производства H₂ менее чем на 5%, демонстрируя хорошую фотостабильность, обусловленную надежной g-C₃N₄ структурой и ковалентно связанным Eosin Y.

Механистические инсайты

Диффузно-рефлектные UV-Vis спектры показали, что PtNi аллой улучшает разделение зарядов, а не поглощение света. Кинение фоtoluminescence и переходные фотоконтактные измерения подтвердили наиболее эффективное разделение электроны-дырки в PtNi/GO системе, коррелирующее с наивысшей скоростью HER. Предлагаемый фотокаталитический цикл включает электронный перенос от возбужденного Eosin Y к g-C₃N₄/GO и затем к PtNi аллою, где протоны восстанавливаются до H₂. Дырки окисляют жертвенный TEOA.

Заключение

Исследование демонстрирует, что PtNi аллой-коакселератор, синтезированный простым путем восстановления/ультразвука, драматически усиливает видимо-световую фотокаталитическую эволюцию водорода на Eosin Y-сенсибилизированном гибриде g-C₃N₄/GO. Со скоростью 5,89 ммоль г⁻¹ ч⁻¹ эта система предлагает стоимость-эффективную альтернативу чистому Pt, проложив путь к масштабируемому, устойчивому производству водорода.