为缓解能源危机和环境污染,开发和利用高热值和零污染的氢气至关重要.近年来,半导体光催化分解水制氢技术在科研领域受到广泛关注.CdS是一种常用的光解水催化剂,但单一CdS光催化剂的光生电子和空穴易复合,并且该复合过程发生在皮秒到纳秒级.大部分光生电子无法迁移到光催化剂表面参与析氢反应,导致其产氢效率低.贵金属助催化剂在提高CdS光催化分解水性能方面展现出巨大的潜力,然而贵金属修饰的CdS在实际析氢过程中的电子动力学机制尚不清楚.此外,光生载流子转移过程一般发生在飞秒和皮秒尺度,很难通过普通的光学表征来探测这一动力学过程.因此,深入研究光生载流子的转移动力学过程对揭示CdS基复合光催化材料析氢性能增强的动力学机制具有重要意义.本文利用Pt纳米颗粒修饰的CdS纳米棒来研究CdS/Pt异质结中的超快电子转移动力学过程.首先通过水热法合成CdS纳米棒,再利用原位光还原的方法将Pt纳米颗粒沉积到CdS纳米棒表面.在合成CdS/Pt过程中,PtCl62-通过库仑作用吸附到CdS纳米棒表面带正电的缺陷位点,并利用CdS纳米棒产生的光生电子将PtCl62-还原成Pt纳米颗粒,从而得到CdS/Pt肖特基异质结光催化剂.借助飞秒瞬态吸收光谱技术探究CdS和CdS/Pt在乙腈和纯水中的电子转移动力学过程.对于单一组分的CdS,主要有三种激子猝灭途径,包括电子的浅缺陷态俘获(～6.8 ps)、电子和被俘获的空穴的复合(～58.2 ps),以及导带底电子和价带顶空穴的荧光辐射复合(～2611.9 ps).原位沉积的Pt纳米颗粒可钝化CdS表面的缺陷,并且光生电子的浅缺陷态俘获过程得到显著的抑制.此外,Pt助催化剂的引入在CdS/Pt界面构建了超快电子传输通道.对于分散在乙腈中的CdS/Pt,界面电子转移的时间和速率为～5.5 ps和～3.5×1010 s?1.在模拟光解水过程中,CdS/Pt界面的电子转移时间减少到～5.1 ps,并且其电子转移速率增大到～4.9×1010 s?1,证实了Pt纳米颗粒是光催化产氢反应的活性位点.综上,本文从电子动力学角度揭示了Pt助催化剂提高CdS光解水性能的机理,为设计新型高效的CdS基光催化剂提供了指导和新思路.

飞秒瞬态吸收光谱;光催化分解水;CdS;电子转移动力学;俘获态

张建军;杨高元;何博文;程蓓;李佑稷;梁桂杰;王临曦

中国地质大学(武汉)材料与化学学院太阳燃料实验室,湖北武汉430074;湖北文理学院低维光电材料与器件湖北省重点实验室,湖北襄阳441053;武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,湖北武汉430070;吉首大学化学化工学院,湖南吉首416000

催化学报

[1]张建军;杨高元;何博文;程蓓;李佑稷;梁桂杰;王临曦-.CdS/Pt异质结光催化剂光解水的电子转移动力学)[J].催化学报,2022(10):2530-2538

俘获态

CdS,光催化剂,光解水,电子转移动力学,能源危机,开发和利用,高热值,氢气,半导体光催化,光催化分解水,分解水制氢,制氢技术,科研领域,光生电子,空穴,皮秒,纳秒级,析氢反应,氢效,贵金属,助催化剂,金属修饰,电子动力学,动力学机制,光生载流子,一动,动力学过程,复合光催化材料,析氢性能,性能增强,纳米颗粒,纳米棒,超快,过水,水热法,光还原,颗粒沉积,积到,PtCl62,库仑作用,附到,面带,正电,缺陷位,还原成,肖特基异质结,飞秒瞬态吸收光谱,光谱技术,技术探究,乙腈,纯水,单一组分,激子,猝灭,缺陷态,ps,被俘,导带,价带,顶空,光辐射,原位沉积,钝化,电子传输,传输通道,和速率,光催化产氢,活性位点

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