构建S型异质结COF/CdS以增强太阳光产氢

摘要

高效利用太阳能是解决当前能源危机和环境问题的有效途径.光催化制氢技术具有绿色环保、成本低等优势,且氢气可作为能源载体,其燃烧产物仅为水,因此被认为是实现高效利用太阳能的最佳途径之一.为更好地利用太阳能,研究者们致力于开发具有良好可见光活性的光催化剂.CdS因具有良好的电荷转移能力和在可见光区域强吸收的特性,在光催化制氢方面显示出较大的潜力和优势,成为研究热点.特别是,中空结构的CdS因可提供较大的比表面积和丰富的活性位点,有利于光捕获,表现出较好的光催化性能.人们在合理构建高性能CdS方面已经取得了较大进展,但由于光诱导载流子的快速复合和光腐蚀效应,限制了其实际应用.近年来,研究者提出了许多提高CdS光催化活性的策略,如掺杂金属或非金属元素、负载贵金属、构建异质结等.其中,在CdS中引入共价有机框架化合物(COFs)较受关注.COFs由轻元素(C,B,O和N)组成,并以强共价键周期性排列,在CdS中引入COF可以拓宽其光吸收范围,产生更多的光生载流子,并有助于光生电子和空穴对的分离.本文制备了一系列S型COF/CdS异质结复合材料,其表现出比纯CdS和COF更优越的光催化性能.当COF含量为1.5wt%时,COF/CdS异质结构的产氢速率最高,为8670μmolh^(-1)g^(-1),约为纯CdS的2.1倍.在420 nm单色光下,1.5%COF/CdS的表观量子效率(AQE)约为8.9%.进一步研究表明,CdS与COF之间的紧密接触界面和良好匹配的能带结构可以诱导在异质结界面形成内电场,有效地驱动光生电子和空穴的空间分离,同时保持较强的氧化还原能力,有利于提高光催化析氢性能.原位XPS结果表明,COF的自由电子可以通过界面向CdS转移,从而诱导COF向CdS形成内部电场,并在界面处产生能带弯曲.在内部电场力作用下,CdS导带中的光生电子向COF表面扩散并与COF中的HOMO空穴重新结合.因此,氧化还原能力较强的空穴和电子分别被保留,遵循典型的S型异质结电荷转移模型.同时,吸附在COF表面的水分子或质子被COF中的LUMO上的活跃电子还原成H2,进一步确定了COF/CdS复合材料的S型电荷转移过程.因此,紧密的组装界面和有效的S型结构可以显著提高电荷分离效率,并为水或质子还原提供强大的驱动力,从而大大提高COF/CdS杂化体系的光活性.本文不仅丰富了新型S型异质结光催化剂,而且为进一步的设计和合成提供了参考.