Фотокаталитическое водородообразование без благородных металлов с Cd₀.₅Zn₀.₅S квантовыми точками на пористых нанолистах Ni₂P

Аннотация

Мы сообщаем о стоимостно-эффективном, безблагородном металлом фотокатализаторе, состоящем из 7-нм Cd₀.₅Zn₀.₅S квантовых точек (КТ) равномерно закрепленных на 15–30-нм пористых нанолистах Ni₂P. Высокоповерхностная Ni₂P структура способствует эффективному разделению зарядов и обеспечивает обильные активные места для реакции эволюции водорода (HER). Оптимальная производительность достигается при 1,5 вес.% Ni₂P, давая скорость производства водорода 43,3 мкМ ч⁻¹ мг⁻¹ и солнечно-водородную эффективность (STH) 1,5%. Систематические исследования оптических, фоtoluminescence и электрохимических свойств, поддерживаемые теорией функционала плотности, раскрывают, что Ni₂P улучшает электронный перенос, подавляет рекомбинацию и поставляет каталитические места, в то время как избыточный Ni₂P затеняет поглощение света. Эта стратегия предлагает масштабируемый путь к высокоэффективным, бездрагоценных металлов фотокатализаторам.

Введение

Фотокаталитическое производство водорода стало перспективным путем к устойчивой энергии, с материалами Cd_xZn_{1–x}S, привлекающими внимание из-за их узкой запрещенной зоны и видимой-световой активности. Традиционные коакселераторы, такие как Pt, Co-Pt и Au, эффективно усиливают HER, но несут высокую стоимость, ограничивая промышленное внедрение. Неблагородные альтернативы — углеродные аллотропы, фосфиды и сульфиды — показали перспективы; Ni₂P в частности успешно интегрирован с CdS нанопроводами/стержнями, однако использование квантовых точек (КТ) предлагает превосходную площадь поверхности и настраиваемую полосовую структуру. Поэтому мы исследуем обратную гетероструктуру, где Cd₀.₅Zn₀.₅S КТ загружены на массивы Ni₂P нанолистов для синергетического сочетания высокой площади поверхности с эффективным разделением зарядов.

Методы/Экспериментальная часть

Синтез Ni₂P

Ni(OH)₂·xH₂O предшественники кальцинировали при 500 °C в присутствии NaH₂PO₂ для получения черного Ni₂P порошка.

Синтез нанокомпозитов Ni₂P-Cd₀.₅Zn₀.₅S

Ni₂P диспергировали в этаноле и смешивали с предшественниками ZnCl₂/CdCl₂ в этиленгликоле. После рефлюкса при 180 °C Cd₀.₅Zn₀.₅S КТ формировались на Ni₂P. Содержание Ni₂P (0,5–5 вес.%) варировали путем изменения объема Ni₂P суспензии. Чистые Cd₀.₅Zn₀.₅S КТ готовили без Ni₂P для сравнения.

Характеристика

SEM, TEM, HRTEM и EDX картировали морфологию и состав. XRD подтвердил гексагональный Ni₂P и кубический Cd₀.₅Zn₀.₅S фазы. XPS верифицировал элементарные состояния. UV-Vis спектроскопия измеряла оптическое поглощение; PL оценивала зарядовую рекомбинацию. Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) и линейная вольтамметрия (LSV) оценивали зарядовый перенос и HER активность.

Фотокаталитическая эволюция водорода

Фотокатализаторы (1–100 мг) диспергировали в смеси Na₂S/Na₂SO₃ и облучали 300 Вт Xe лампой (λ>420 нм). Эволюция водорода квантифицировали газовой хроматографией. STH рассчитывали из стандартного уравнения используя 300 мВт см⁻² падающую мощность.

Результаты и обсуждение

Морфология и состав

SEM изображения раскрывают цветообразные Ni₂P нанолисты, состоящие из 15–30 нм переплетенных листов. После загрузки Cd₀.₅Zn₀.₅S, 7-нм КТ равномерно декорируют нанолисты. XRD паттерны показывают характерные пики как Ni₂P, так и Cd₀.₅Zn₀.₅S; сигнал Ni₂P уменьшается при более высоких загрузках. XPS подтверждает наличие Ni, P, Cd, Zn и S без примесей.

Фотокаталитическая производительность

При 1 мг катализатора, 1,5 вес.% Ni₂P композит достигает 43,3 мкМ ч⁻¹ мг⁻¹, в 3,4 раза выше чистого Cd₀.₅Zn₀.₅S. Увеличение Ni₂P выше 3 вес.% снижает активность из-за затенения света. Стабильность тесты в течение 16 ч показывают пренебрежимое снижение. Масштабирование до 100 мг в 150 мл реакторе дает 700 мкМ ч⁻¹ и STH 1,5%.

Оптический и электрохимический анализ

UV-Vis спектры демонстрируют поглощение 506 нм для Cd₀.₅Zn₀.₅S; Ni₂P вносит дополнительное видимое поглощение, хотя более высокий Ni₂P уменьшает <506 нм поглощение. PL интенсивность снижается с загрузкой Ni₂P, указывая на подавленную рекомбинацию. EIS показывает, что Rct падает с 17,3 кОм (Cd₀.₅Zn₀.₅S) до 5,5 кОм (3 вес.% Ni₂P), свидетельствуя о улучшенной проводимости. LSV показывает, что Ni₂P имеет низкие HER перепад потенциалы (84 мВ при 10 мА см⁻²).

Инсайт полосовой структуры

DFT расчеты подтверждают металлический Ni₂P с уровнем Ферми 1,03 В vs NHE, ниже чем Cd₀.₅Zn₀.₅S CBM (−1,04 В vs NHE). Электроны таким образом переносятся из Cd₀.₅Zn₀.₅S в Ni₂P, управляя разделением зарядов и HER на местах Ni₂P.

Заключение

Cd₀.₅Zn₀.₅S/Ni₂P гетероструктура обеспечивает безблагородное металл, эффективное фотокаталитическое водородообразование. Оптимизированная при 1,5 вес.% Ni₂P, она достигает 1,5% STH и высокой стабильности, иллюстрируя двойную роль Ni₂P как как фасилитатора зарядового переноса и HER коакселератора. Этот дизайн принцип применим к другим фотокаталитическим системам.