绣球花状ZnIn2S4/CoWO4 S型异质结的构建及可见光催化产氢性能

doi:10.7503/cjcu20240055

摘要/Abstract

摘要：

通过合理设计异质结结构来加速光催化产氢反应在高效光催化材料的开发中发挥着不可或缺的作用. ZnIn₂S₄(ZIS)由于其优异的光电性能和较负的导带位置, 在光催化产氢领域受到了广泛关注, 但其仍存在严重的光生载流子复合和团聚问题. 为此, 首先通过理论计算预测了ZnIn₂S₄/CoWO₄(ZIS/CWO) S型异质结的能带结构及电子转移路径, 并通过电子局域函数和电荷密度差分确定了异质结界面处的电子交换. 随后, 采用超声-搅拌-煅烧法将CWO纳米颗粒分散并负载到ZIS花球表面, 获得了绣球花状ZIS/CWO S型异质结光催化剂. 由于ZIS与CWO之间紧密的界面以及形成的内部电场, 致使ZIS/CWO S型异质结的光生电子-空穴对得到了有效分离, 进而提高了光催化产氢效率. 同时, 实验结果确定了S型异质结的形成和载流子的传输路径, 揭示了光催化反应机理.

关键词: 光催化产氢, S型异质结, ZnIn₂S₄, CoWO₄, 理论计算

Abstract:

Rational design of heterojunction structures to accelerate photocatalytic hydrogen evolution plays an indispensable role in the development of photocatalytic materials. ZnIn₂S₄（ZIS） has been widely used in the field of photocatalytic hydrogen evolution due to its excellent photoelectric properties and negative conduction band position， but it still has serious problems of photogenerated carrier recombination and aggregation. Therefore， the band structure and electron transfer path of ZnIn₂S₄/CoWO₄（ZIS/CWO） S-scheme heterojunction were predicted by theoretical calculation， and the electron exchange at the interface of the heterojunction was determined by electron localization function and charge density difference. Subsequently， CWO nanoparticles were dispersed and fixed on the surface of ZIS flower balls by ultrasonic-agitation-calcination method， and the hydrangea-like ZIS/CWO S-scheme heterojunction was obtained. Owing to the tight interface and the formation of internal electric field between ZIS and CWO， the photogenerated electron-hole pairs in ZIS/CWO S-scheme heterojunction can be effectively separated， thus enhancing the photocatalytic hydrogen evolution performance. Meanwhile， the experimental results confirmed the formation of S-scheme heterojunction and carrier transport path， revealing the in-depth mechanism of photocatalytic hydrogen evolution. This work offers novel insights and approaches for the design， construction， and theoretical calculation of S-scheme heterojunction photocatalysts.

Key words: Photocatalytic hydrogen evolution, S-scheme heterojunction, ZnIn₂S₄, CoWO₄, Theoretical calculation

中图分类号:

O643.36

TrendMD:

赵玉彤, 王仕凯, 赵福萍, 陈志合, 赵丽杰, 张大凤, 葛博, 蒲锡鹏. 绣球花状ZnIn₂S₄/CoWO₄ S型异质结的构建及可见光催化产氢性能. 高等学校化学学报, 2024, 45(5): 20240055.

ZHAO Yutong, WANG Shikai, ZHAO Fuping, CHEN Zhihe, ZHAO Lijie, ZHANG Dafeng, GE Bo, PU Xipeng. Construction and Visible Photocatalytic Hydrogen Performance of Hydrangea-like ZnIn₂S₄/CoWO₄ S-scheme Heterojunction. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(5): 20240055.

图/表 10

Fig.1 DFT calculation results for ZIS/CWO S⁃scheme heterojunction（A， B） Atomic model and the diagram of surface H2 evolution；（C） free-energy diagram of photocatalytic H2 evolution；（D） simulated charge distributions diagram；（E） corresponding planar charge density difference curve at the ZIS/CWO interface.

Fig.2 DOS and calculated projected energy band of ZIS(A) and CWO(B), theoretical energy band structures and charge transfer mechanism diagram of ZIS/CWO S⁃scheme heterojunction(C)

Fig.3 XRD patterns(A) and XPS spectra of full survey(B), S2p (C), In3d (D), Zn2p (E), W4f (F), O1s (G) and Co2p (H) of samples

Fig.4 SEM images of ZIS(A), CWO(B) and ZIS/CWO⁃23 S⁃scheme heterojunction(C, D), TEM(E) and HRTEM images(F) of ZIS/CWO⁃23 S⁃scheme heterojunction

Fig.5 SEM image(A), corresponding element mapping of In(B), Zn(C), S(D), O(E), W(F) and Co(G), EDS pattern(H) of ZIS/CWO⁃23

Fig.6 Photocatalytic H2 evolution rates(A) and photocatalytic H2 evolution curves(B) of ZIS, CWO and ZIS/CWO S⁃scheme heterojunction, AQE and light absorption intensity changing curve with wavelength(C) and cycling performance curves(D) of ZIS/CWO⁃23 S⁃scheme heterojunction

Fig.7 Photocurrent response curves(A), EIS spectra(B) and static PL spectra(C) of ZIS, CWO and ZIS/CWO⁃23 S⁃scheme heterojunction

Fig.8 UV⁃Vis DRS spectra(A) and corresponding Eg curves(B) of ZIS, CWO and ZIS/CWO⁃23 S⁃scheme heterojunction, M⁃S curves of CWO(C) and ZIS(D)

Fig.9 Experimental energy band structure diagram(A) and ELF diagram(B) of ZIS/CWO S⁃scheme heterojunction

Fig.10 Mean electrostatic potentials curves of CWO(A) and ZIS(B)（A） Internal illustration is the CWO structure used for calculation；（B） internal illustration is the ZIS structure used for calculation.

参考文献 44

1	Osman A. I.， Elgarahy A. M.， Eltaweil A. S.， Abd El⁃Monaem E. M.， El⁃Aqapa H. G.， Park Y.， Hwang Y.， Ayati A.， Farghali M.， Ihara I.， Al⁃Muhtaseb A. A. H.， Rooney D. W.， Yap P.， Sillanpää M.， Environ. Chem. Lett.， 2023， 21（3）， 1315—1379
2	Ijaz M.， Int. J. Hydrogen Energ.， 2023， 48（26）， 9609—9619
3	Tang D.， Tan G.， Li G.， Liang J.， Ahmad S. M.， Bahadur A.， Humayun M.， Ullah H.， Khan A.， Bououdina M.， J. Energy Storage， 2023， 64， 107196
4	Sun Y. G.， Zhang H. Y.， Ming T.， Xu B. T.， Gao Y.， Ding F.， Xu Z. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（10）， 3160—3166
	孙亚光，张含烟，明涛，徐宝彤，高雨，丁茯，徐振和. 高等学校化学学报， 2021， 42（10）， 3160—3166
5	Zhang L.， Zhang J.， Yu H.， Yu J.， Adv. Mater.， 2022， 34（11）， 2107668
6	Yu J. H.， Yao X. T.， Su P.， Wang S. K.， Zhang D. F.， Ge B.， Pu X. P.， J. Liaocheng Univ.（Nat. Sci. Ed）， 2024， 37（1）， 52—61
	于佳慧，姚欣彤，苏萍，王仕凯，张大凤，葛博，蒲锡鹏. 聊城大学学报（自然科学版）， 2024， 37（1）， 52—61
7	Xue J. B.， Gao G. X.， Shen Q. Q.， Liu T. W.， Liu X. G.， Jia H. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（8）， 2493—2499
	薛晋波，高国翔，申倩倩，刘天武，刘旭光，贾虎生. 高等学校化学学报， 2021， 42（8）， 2493—2499
8	Li J.， Wu C.， Li J.， Dong B.， Zhao L.， Wang S.， Chin. J. Catal.， 2022， 43（2）， 339—349
9	Li Y.， Li Z.， Liu E. Z.， J. Liaocheng Univ.（Nat. Sci. Ed）， 2023， 36（2）， 1—10
	李艳，李卓，刘恩周. 聊城大学学报（自然科学版）， 2024， 36（2）， 1—10
10	Zhao F.， Li X.， Zuo M.， Liang Y.， Qin P.， Wang H.， Wu Z.， Luo L.， Liu C.， Leng L.， J. Environ. Chem. Eng.， 2023， 11（2）， 109487
11	Guo K.， Hussain I.， Jie G A.， Fu Y.， Zhang F.， Zhu W.， J. Environ. Sci. China， 2023， 125， 290—308
12	Yang Q.， Jiang Y.， Zhuo H.， Mitchell E. M.， Yu Q.， Nano Energy， 2023， 111， 108404
13	Wang J.， Sun S.， Zhou R.， Li Y.， He Z.， Ding H.， Chen D.， Ao W.， J. Mater. Sci. Technol.， 2021， 78， 1—19
14	Xu L.， Liu N.， An H.， Ju W.， Liu B.， Wang X.， Wang X.， Ultrason. Sonochem.， 2022， 89， 106147
15	Ma X. Q.， Li X. B.， Chen Z.， Feng Z. J.， Huang J. T.， J. Inorg. Mater.， 2023， 38（1）， 62—70
	马心全，李喜宝，陈智，冯志军，黄军同. 无机材料学报， 2023， 38（1）， 62—70
16	Luo Q.， Lu C.， Liu L.， Zhu M.， Green Energy Environ.， 2023， 8（2）， 406—437
17	Kong D.， Ruan X.， Geng J.， Zhao Y.， Zhang D.， Pu X.， Yao S.， Su C.， Int. J. Hydrogen Energ.， 2021， 46（55）， 28043—28052
18	Paul Chowdhury A.， Shambharkar B. H.， Appl. Organomet. Chem.， 2020， 34（4）， e5436
19	Jiang L.， Wang K.， Wu X.， Zhang G.， Yin S.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2019， 11（30）， 26898—26908
20	Ghosh K.， Giri P. K.， Carbon， 2024， 216， 118515
21	Chen C.， Hou W.， Xu Y.， Appl. Catal. B， 2022， 316， 121676
22	Peng X.， Ye L.， Ding Y.， Yi L.， Zhang C.， Wen Z.， Appl. Catal. B， 2020， 260， 118152
23	Selvi S.， Rajendran R.， Barathi D.， Jayamani N.， J. Electron. Mater.， 2021， 50（5）， 2890—2902
24	Gao Q.， Sun G.， Ling R.， Cai Y.， Wang A.， J. Mater. Sci.： Mater. Electron.， 2022， 33（34）， 25589—25602
25	Wang S.， Zhang D.， Zhang D.， Pu X.， Liu J.， Li H.， Cai P.， J. Alloy. Compd.， 2023， 967， 171862
26	Yang R.， Mei L.， Fan Y.， Zhang Q.， Zhu R.， Amal R.， Yin Z.， Zeng Z.， Small Methods， 2021， 5（10）， 2100887
27	Zhang G.， Wu H.， Chen D.， Li N.， Xu Q.， Li H.， He J.， Lu J.， Green Energy Environ.， 2022， 7（2）， 176—204
28	Yang H.， Li J.， Su Q.， Wang B.， Zhang Z.， Dai Y.， Li Y.， Hou L.， Chem. Eng. J.， 2023， 470， 144139
29	Sun G.， Gao Q.， Tang S.， Ling R.， Cai Y.， Yu C.， Liu H.， Gao H.， Zhao X.， Wang A.， J. Electron. Mater.， 2022， 51（6）， 3205—3215
30	Jiang X.， Kong D.， Luo B.， Wang M.， Zhang D.， Pu X.， Colloids Surf. A： Physicochem. Eng. Asp.， 2022， 633， 127880
31	Su X.， Wang A.， Xu L.， Zhang W.， Guo F.， Zhang D.， Pu X.， Cai P.， J. Am. Ceram. Soc.， 2023， 106（6）， 3594—3604
32	Wang S.， Zhang D.， Su P.， Yao X.， Liu J.， Pu X.， Li H.， Cai P.， J. Colloid Interf. Sci.， 2023， 650， 825—835
33	Kong D.， Hu X.， Geng J.， Zhao Y.， Fan D.， Lu Y.， Geng W.， Zhang D.， Liu J.， Li H.， Pu X.， Appl. Surf. Sci.， 2022， 591， 153256
34	Su X.， Wang S.， Liu J.， Zhang D.， Pu X.， Cai P.， Chemosphere， 2023， 340， 139777
35	Wang S.， Su X.， Han W.， Xu G.， Zhang D.， Su C.， Pu X.， Cai P.， Int. J. Hydrogen Energ.， 2023， 48， 21712—21722
36	Yao X.， Zhen H.， Zhang D.， Liu J.， Pu X.， Cai P.， Colloids Surf. A： Physicochem. Eng. Asp.， 2022， 648， 129276
37	Jin Z.， Yan X.， Hao X.， J. Colloid Interf. Sci.， 2020， 569， 34—49
38	Wang B.， Ding Y.， Deng Z.， Li Z.， Chin. J. Catal.， 2019， 40（3）， 335—342
39	Yang G.， Zhang H.， Dou M.， Yang H.， Yin X.， Li D.， Zhao H.， Dou J.， J. Colloid Interf. Sci.， 2022， 610， 1057—1066
40	Wang S.， Guan B. Y.， Wang X.， Lou X. W. D.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（45）， 15145—15148
41	Yao X.， Jiang X.， Zhang D.， Lu S.， Wang M.， Pan S.， Pu X.， Liu J.， Cai P.， J. Colloid Interf. Sci.， 2023， 644， 95—106
42	Su P.， Kong D.， Zhao H.， Li S.， Zhang D.， Pu X.， Su C.， Cai P.， J. Adv. Ceram， 2023， 12（9）， 1685—1700
43	Jiang J.， Bai S.， Yang M.， Zou J.， Li N.， Peng J.， Wang H.， Xiang K.， Liu S.， Zhai T.， Nano Res.， 2022， 15（7）， 5977—5986
44	Ni Q.， Ke X.， Qian W.， Yan Z.， Luan J.， Liu W.， Appl. Catal. B， 2024， 340， 123226

[1]	熊文朋, 褚月英, 王强, 徐君, 邓风. 丙酮羰基¹³C化学位移表征分子筛限域效应的理论计算[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230063.
[2]	富忠恒, 陈翔, 姚楠, 余乐耕, 沈馨, 张睿, 张强. 固态电解质锂离子输运机制研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(5): 20220703.
[3]	王斯阳, 敬稳, 常江伟, 卢思宇. 碳点的制备及电化学能源应用进展[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(5): 20220733.
[4]	邓园, 王思, 丰海松, 张欣. Pd催化糠醛加氢反应中溶剂依赖效应的理论计算[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(2): 20220486.
[5]	闫爱华, 高埜, 张晓辉, 黄飞, 张同洋, 张吉旭, 赵文学. p-n型NiWO₄/ZnIn₂S₄异质结光解水析氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 20230357.
[6]	周颖, 贺培楠, 丰海松, 张欣. 双原子位点M-N-C电催化剂在CO₂还原反应中活性位点的最佳分布[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210640.
[7]	姜珊, 申倩倩, 李琦, 贾虎生, 薛晋波. Pd增强缺陷态TiO₂纳米管阵列的光催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220206.
[8]	薛晋波, 高国翔, 申倩倩, 刘天武, 刘旭光, 贾虎生. 新型S型CdS-BiVO₄异质结光电极的构筑及产氢性能研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2493.
[9]	徐安琪, 李彬, 杜芳林. 有序介孔TiO₂的合成及光解水产氢应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(4): 978.
[10]	王非凡, 王松博, 姚柯奕, 张蕾, 杜威, 程鹏高, 张建平, 唐娜. 量子点自修饰TiO₂p-n同质结的构建及光催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(7): 1615.
[11]	曹锰, 柳阳, 张尚玺, 王振希, 徐胜. 壳聚糖钴配合物的合成及光催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 735.
[12]	孙大伟,李跃军,曹铁平,赵艳辉,杨殿凯. 三维网状Dy ³⁺∶YVO₄/TiO₂复合纤维的制备及光催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(11): 2348.
[13]	闫璇, 薛冰纯, 刘二保. 水体系中尿素卤化铵共晶合成及影响因素的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(12): 2700.
[14]	蒋举兴, 王家俊, 段焰青, 刘亚, 王文元, 吴少华. 水催化2个酯分子相互转化反应的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(9): 1919.
[15]	曲阳, 周卫, 任志宇, 潘凯, 姜乐, 付宏刚. CdTiO₃纳米棒的可控制备及光催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(5): 995.

绣球花状ZnIn₂S₄/CoWO₄ S型异质结的构建及可见光催化产氢性能

Construction and Visible Photocatalytic Hydrogen Performance of Hydrangea-like ZnIn₂S₄/CoWO₄ S-scheme Heterojunction

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