LSPR增强0D/2DCdS/MoO3-xS型异质结的构建及其可见光光催化活性研究

摘要

近年来,等离子体半导体光催化剂因其具有从可见光到近红外光的光响应而引起了人们极大的研究兴趣.含有丰富氧空位的非化学计量的氧化钼(MoO3-x)具有中心位于700 nm和尾部吸收拓展至2000 nm强的局域表面等离子体共振(LSPR)效应,因此,MoO3-x或将成为实现全光谱响应光催化制氢技术最有吸引力的候选材料之一.然而,单一MoO3-x中电荷载流子的复合快速.具有II型、Z型或S型异质结构的MoO3-x基复合光催化剂的构建被证明是同时实现拓展光吸收和分离光生载流子改善光催化析氢性能的有效策略.与传统的Ⅱ型异质结构相比,Z型或S型可在较高还原电位上进行水分解反应,又可以实现光生载流子的有效分离.相比于Z型,S型由于内部电场导致的半导体的能带玩去可以进一步缩短电子与空穴之间的迁移距离,从而导致光诱导载流子的更快分离.基于此,本文选择了与MoO3-x能带匹配的CdS半导体催化剂,通过简单的共沉淀法在具有LSPR效应的二维(2D)MoO3-x椭圆纳米片上生长零维(0D)CdS纳米粒子,制备了LSPR增强的0D/2D CdS/MoO3-xS型异质结.由于MoO3-x的引入,0D/2D CdS/MoO3-x复合材料展现出了一个因LSPR效应而具有的从600到1400 nm的尾部吸收,并且这种尾部吸收强度随着复合材料中MoO3-x含量的增加而增加.在可见光光催化反应中,CdS/MoO3-x复合材料的产氢速率为7.44 mmol·g-1·h-1,为单一CdS的10.3倍.当采用不同波段的单色光作为激发光源,在420,450和550 nm单色光的照射下,CdS/MoO3-x复合材料的产氢效率为15.7,10.9和193.4 mmol·g-1,分别比CdS高6.8,5.0和3倍.当激发波长拓展至650 nm时,CdS/MoO3-x复合材料的产氢效率为6.83 mmol·g-1,而CdS则不具有产氢活性,侧面体现了MoO3-x的LSPR效应在提升光解水产氢活性方向的有效作用.我们利用肖特基和固体紫外测试确定了CdS和MoO3-x的能带结构,并通过第一原理密度泛函理论模拟计算了CdS和MoO3-x的功函数,分别为4.07和7.56 eV,当这两个半导体接触时,MoO3-x的费米能级比CdS的更负,电子将从CdS迁移到MoO3-x,因此CdS和MoO3-x的能带将分别向上和向下弯曲,直到其费米能级达到平衡.这种向上和向下的带弯曲是S型结构的特征之一.XPS分析也证实在带正电荷的CdS和带负电荷的MoO3-x之间会产生内部电场,这也符合S型结构.此外,还利用电子自旋共振(ESR)进一步研究了CdS,MoO3-x和CdS/MoO3-x在光照下自由基的产生情况,CdS/MoO3-x产生的DMPO-·O2?和DMPO-·OH信号强度均强于CdS和MoO3-x,证明CdS/MoO3-x能产生更多的·O2?和·OH自由基.ESR结果还表明,在CdS/MoO3-x复合材料中光诱导电子和空穴仍然分别停留在CdS的导带和MoO3-x的价带中,CdS/MoO3-x复合材料的光诱导电荷分离机制将遵循S型机制,而不是传统的II型异质结.在光照下,内部电场和弯曲能带促使积聚在MoO3-x导带上的电子与CdS的空穴结合,在CdS的导带上留下具有较强氧化还原能力的电子参与光催化水还原反应,实现高效的光催化产氢.