《文章投稿》夾層納米結(jié)構(gòu)ZnInS催化劑的設(shè)計構(gòu)建

1. 文章信息

標題：

Ultrathin nanosheet ZnIn2S4-Encapsulated Rich-Mo Edge Active Site Mo2C-N Schottky Junction

中文標題：夾層納米結(jié)構(gòu)ZnInS催化劑的設(shè)計構(gòu)建

頁碼：Volume 357, 15 November 2024,124266

DOI：org/10.1016/j.apcatb.2024.124266  

2. 文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124266      

3. 期刊信息：

期刊名：Applied Catalysis B-Environment and Energy      

4. 作者信息：

第一作者：于濂清；  通訊作者：于濂清 ； 通訊單位：中國石油大學（華東）

5. 文章所用產(chǎn)品;

北京中教金源300W氙燈光源（CEL-HXF300）

6. 文章簡介

開發(fā)高效的多功能催化劑仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，由于催化劑對氧/氫中間物質(zhì)的吸附不理想、動力學速率不高、缺乏活性反應(yīng)位點。本工作通過氮摻雜碳化鉬(Mo2C)中形成了豐富的Mo邊緣活性位點，利用Mo2C-N作為助催化劑增強了ZnIn2S4 (ZIS)的析氫反應(yīng)(HER)、析氧反應(yīng)(OER)和光催化析氫反應(yīng)(PHE)。Mo2C-N/ZIS具有顯著的HER和OER活性，在電流密度為10 mA·cm-2下，過電位分別低至74 mV （HER） 和 250 mV （OER）。Mo2C-N/ZIS之間形成的肖特基結(jié)具有雙重電荷轉(zhuǎn)移途徑，有利于增強光生載流子的分離，減少ZIS的體面復(fù)合，因而增強了PHE/HER/OER活性。密度泛函理論(DFT)計算表明，Mo2C-N/ZIS的肖特基結(jié)對氫和氧中間體具有優(yōu)良的吸收能。

本文先通過熱處理得到Mo2C-N, 并結(jié)合油浴法將超薄ZIS納米片封裝在二維的Mo2C-N表面?？紤]到碳源和非均相的影響，采用鋅基沸石型金屬有機骨架(ZIF-8)或三聚氰胺包覆的MoO3在氬(Ar)氣氛下高溫碳化以控制相轉(zhuǎn)化過程（圖1（a-c））。如圖1（d-e）所示，XRD結(jié)果表明MoO3-ZIF-8和MoO3-C3H6N6最終分別轉(zhuǎn)化為Mo2C-N和碳包覆二氧化鉬(MoO2@C)。圖1（f）解釋了在不同氣氛和條件下，MoO3在高溫相轉(zhuǎn)換過程形成的晶體結(jié)構(gòu)。

圖1（a-c）合成示意圖和（d-f）XRD和結(jié)構(gòu)分析

如圖2-5所示，通過SEM表征發(fā)現(xiàn)，在不加任何碳源下，MoO3在高溫下相轉(zhuǎn)換得到的a-MoO3@Mo9O26呈現(xiàn)表面光滑的二維納米片層。而Mo2C-N在高溫和Ar氣氛下煅燒時，構(gòu)建了豐富的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，表明微觀形貌和活性位點可以通過相變過程和碳源進行調(diào)節(jié)。Mo2C-N/ZIS呈現(xiàn)出具有周期性蜂窩孔結(jié)構(gòu)的夾層納米結(jié)構(gòu)，形成了良好的異質(zhì)界面，充分利用了Mo2C-N/ZIS夾層納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，促進了載流子在催化劑中的快速傳遞(圖2(e-f))。此外，在10-a-MoO3@Mo9O26/ZIS和10-MoO2@C/ZIS中出現(xiàn)了較大的孔隙結(jié)構(gòu)和界面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的缺失，導(dǎo)致電子傳遞的能量壘增強(圖S4(a-c))。

圖2 Mo2C-N, ZIS和Mo2C-N/ZIS結(jié)構(gòu)形貌表征

圖3 a-MoO3@Mo9O26和MoO2@C的SEM和元素組成分析

圖4 10-a-MoO3@Mo9O26/ZIS, (b) 10-MoO2@C/ZIS, (c) 20-Mo2C-N/ZIS的SEM和元素組成分析

此外，通過透射電鏡(TEM)進一步分析證明了超薄2D納米片自組裝成多孔花狀的ZIS，并均勻地封裝在2D Mo2C-N表面。高分辨率透射電鏡(HRTEM)顯示，Mo2C-N/ZIS的晶格條紋分別對應(yīng)為ZIS (108)晶面和Mo2C-N 的(002)晶面。此外，我們進一步利用掃描透射電子顯微鏡(QSTEM)模擬軟件對ZIS、Mo2C-N和Mo2C-N/ZIS的STEM圖像進行模擬，以深入了解界面結(jié)構(gòu)關(guān)系。在ZIS, Mo2C-N的STEM圖像中可以清楚地觀察到原子的排列。對于Mo2C-N/ZIS，表面ZIS的原子排列位點受到明顯影響，這表明Mo2C-N助催化劑的誘導(dǎo)不僅可以改變微觀形貌，還可以影響反應(yīng)活性位點。

圖5 Mo2C-N, ZIS和Mo2C-N/ZIS結(jié)構(gòu)形貌表征

圖6所示，通過拉曼分析了Mo2C-N, ZIS和Mo2C-N/ZIS的組成及官能的成鍵情況。另外，Mo 3d射線光電子能譜 (XPS)分析顯示，Mo2C-N中Mo存在多種價態(tài)。在Mo2C-N上生長ZIS后，Mo 3d的結(jié)合能比純Mo2C-N向更高的結(jié)合能方向移動。在Mo2C-N/ZIS復(fù)合材料中出現(xiàn)了兩個明顯的新峰，它們分別屬于S 2s (226.2 eV)和Mo2+ (227.5 eV)，表明ZIS和Mo2C-N之間存在很強的界面相互作用。Mo-N、吡啶N、吡咯N和石墨N的衍射峰分別在396.0、397.7、399.0和401.1 eV，表明氮被成功地摻雜到碳的位置上。此外，對于C 1s的XPS光電子能譜，在283.5、284.7、285.8、289.5和291.1 eV的峰分別歸因于C- Mo、C-C、C- N、C-O和O-C=O的結(jié)合能，C 1s的強度顯著降低。N元素的誘導(dǎo)打破了Mo-C鍵的平衡，導(dǎo)致電子在Mo位中心重新分布。值得注意的是，與純ZIS相比，S 2p、In 3d和Zn 2p的結(jié)合能都向較低的結(jié)合能方向移動，進一步驗證了Mo2C-N的協(xié)助有助于空穴向Mo2C-N的轉(zhuǎn)移，Mo2C-N/ZIS的肖特基結(jié)勢壘可以限制電子的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致ZIS的電子云分布較高。

圖6 Mo2C-N, ZIS和Mo2C-N/ZIS的組成表征

圖7所示，通過結(jié)合紫外-可見漫反射光譜（DRS）和曲線分析了Mo2C-N, ZIS和Mo2C-N/ZIS的光學性能及能帶。Mo2C-N/ZIS肖特基結(jié)夾層納米結(jié)構(gòu)的可見光吸收比ZIS增強，而a-MoO3@Mo9O26和MoO2@C與ZIS結(jié)合后在可見光區(qū)仍表現(xiàn)出較弱的光吸收，說明Mo2C-N更適合作為助催化劑調(diào)節(jié)ZIS的帶隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的類別，Mo2C-N/ZIS、MoO2@C/ZIS和a-MoO3@Mo9O26的能帶結(jié)構(gòu)分別屬于典型的肖特基結(jié)和跨界隙(Type-I)。與Type-I型異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑相比，肖特基結(jié)催化劑具有較強氧化還原能力的優(yōu)點，并且具有更好的光生載流子分離能力。此外，已有研究證實，肖特基結(jié)中的光生載流子由于具有“雙轉(zhuǎn)移路徑"，可以有效地減少光生電子-空穴對的復(fù)合，有利于形成空間電荷分離區(qū)。因此，Mo2C-N作為一種很有前途的助催化劑，在調(diào)節(jié)帶隙和光生載流子的分離，減少ZIS的體積和表面復(fù)合方面起著至關(guān)重要的作用。

圖7 Mo2C-N, ZIS和Mo2C-N/ZIS的光學性能及能帶分析

如圖8所示，電化學測試中，10-Mo2C-N/ZIS 表現(xiàn)出了令人印象深刻的性能，其電流密度遠高于純的ZIS和Mo2C-N，且其EIS的半圓半徑最小，表明Mo2C-N/ZIS肖特基結(jié)實現(xiàn)了有效地界面電荷轉(zhuǎn)移和傳輸。另一方面，Mo2C-N/ZIS肖特基結(jié)夾層納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光(PL)猝滅，進一步證明其有效地建立了ZIS與Mo2C-N界面的電子傳遞渠道。

圖8 電化學性能和PL光譜表征

如圖9所示，Mo2C-N/ZIS光催化劑的光催化產(chǎn)氫可高達6.71 mmol g-1·h-1, 分別是純ZIS的16.4倍和Mo2C-N的6.0倍，并且高于目前文獻報道的同類反應(yīng)催化活性。Mo2C-N/ZIS催化劑的太陽能氫轉(zhuǎn)換（STH）效率高達1.11%，表觀量子產(chǎn)率實現(xiàn)了25.06%在入射光波長為400 nm. 這一明顯地提升的催化性能和穩(wěn)定性的實現(xiàn)，得益于Mo2C-N/ZIS的合適能帶結(jié)構(gòu)，更寬的光譜響應(yīng)范圍和更高的光生電子分離效率。根據(jù)密度泛函理論(DFT)結(jié)果，ZIS的功函數(shù)(6.5?eV)大于半導(dǎo)體Mo2C-N的功函數(shù)(4.1?eV)， Mo2C-N和ZIS耦合后，由于界面肖特基勢壘的作用，ZIS導(dǎo)帶附近的光生電子很難沿肖特基結(jié)遷移到Mo2C-N表面，而ZIS價帶的光生空穴可以轉(zhuǎn)移到Mo2C-N表面，形成空間電荷分離區(qū)域。此外，表面或體電荷在肖特基結(jié)下有效地抑制了重組，這為H2O的分解和表面氧化還原反應(yīng)提供了更多的活化位點。更重要的是，引入的N原子修飾和調(diào)節(jié)了Mo2C的電子結(jié)構(gòu)，激活了邊緣Mo，為捕獲高活性的富Mo邊緣原子作為高效PHE提供了潛在的支撐。

圖9 Mo2C-N, ZIS和Mo2C-N/ZIS的光催化性能分析及機理解釋

另外，HER和OER測試結(jié)果表明10-Mo2C-N/ZIS具有電催化活性，在電流密度為10 mA·cm-2, 過電位低至74 mV (HER) 和 250 mV (OER)，減小的Tafel斜率值和增加的Cdl 表明Mo2C-N結(jié)合ZIS有效調(diào)節(jié)了HER/OER反應(yīng)的限速步驟，并提高了反應(yīng)的活性位點，Mo2C-N/ZIS顯示出了穩(wěn)定性，在實際應(yīng)用中具有潛力。

圖10 Mo2C-N, ZIS和Mo2C-N/ZIS的HER性能分析

圖11 Mo2C-N, ZIS和Mo2C-N/ZIS的OER性能分析

DFT計算表明，Mo2C-N/ZIS 具有合適的氫質(zhì)子和氫氧中間產(chǎn)物的吸附能，加速OER, HER反應(yīng)速率，Mo2C-N/ZIS的肖特基結(jié)具有雙重有利的轉(zhuǎn)移路線，增強了光生載流子遷移，減少了ZIS的本體和表面復(fù)合。此外，原子的重分布電子構(gòu)型和局部電荷分布狀態(tài)不僅可以提高本征活性，還可以調(diào)節(jié)氫和氧中間體的吸附和解吸行為。因此，Mo2C-N/ZIS催化劑具有良好的PHE/HER/OER性能，是光/電化學應(yīng)用的理想催化劑。

圖12 DFT計算及HER/OER機理分析