新型S型CdS-BiVO4异质结光电极的构筑及产氢性能研究

doi:10.7503/cjcu20210212

摘要/Abstract

摘要：

通过化学浴和连续离子层沉积法构筑了BiVO₄/CdS和CdS/BiVO₄两种S型异质结薄膜光电极. 利用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)以及电化学阻抗谱(EIS)对其形貌、结构和光电性能进行了表征, 测试了两种薄膜电极的光催化和光电催化产氢性能. 结果表明, CdS和BiVO₄之间形成S型异质结, BiVO₄/CdS表现出最佳的光催化产氢性能, 而CdS/BiVO₄表现出最佳的光电催化产氢性能. 借助表面光电压技术探究了两种薄膜电极中S型异质结内建电场的形成过程和载流子传输的机制.

关键词: S型异质结, 光电极, 内建电场, 产氢

Abstract:

The single component photocatalysts have low photocatalytic hydrogen production efficiency due to the serious recombination of photogenerated electrons and holes and the mismatch of redox capacity and light absorption range. CdS/BiVO₄ and BiVO₄/CdS S-scheme heterojunction film photoelectrodes were prepared via chemical bath deposition and successive ionic layer adsorption and reaction method， respectively. The morphology， structure， optical and photoelectrochemical properties of the two film electrodes were characte-rized by scanning electron microscopy（SEM）， X-ray diffraction（XRD）， ultraviolet-visible（UV-Vis） spectro-scopy， and electrochemical impedance spectroscopy（EIS）， and the photocatalytic and photoelectrocatalytic hydrogen production properties of the two film electrodes were tested. The results show that S-scheme heterojunction formed between CdS and BiVO₄， BiVO₄/CdS shows the best photocatalytic hydrogen production performance， while CdS/BiVO₄ shows the best photoelectrocatalytic hydrogen production performance. With the help of surface photovoltage technology， the formation process of the built-in electric field and the carrier transport mechanism of S-scheme heterojunction in the two film electrodes are explored.

Key words: S-scheme heterojunction, Photoelectrode, Internal electric field, Hydrogen production

中图分类号:

O646

TrendMD:

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. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2493.

XUE Jinbo, GAO Guoxiang, SHEN Qianqian, LIU Tianwu, LIU Xuguang, JIA Husheng. Construction of a Novel S-scheme CdS-BiVO₄ Heterojunction Photoelectrodes and Research on Hydrogen Production. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2493.

图/表 7

Fig.1 SEM images of CdS(A), BiVO4(B), CdS/BiVO4(C) and BiVO4/CdS(D)

Fig.2 XRD patterns of CdS(a), BiVO4(b), BiVO4/CdS(c) and CdS/BiVO4(d)(A) and zoom in at 26o—28o range of CdS(a), BiVO4(b), BiVO4/CdS(c) and CdS/BiVO4(d)(B)

Fig.3 UV?Vis absorption spectra(A) of CdS, BiVO4, BiVO4/CdS and CdS/BiVO4 photoelectrodes, cross?section view SEM image of CdS/BiVO4 photoelectrode(B), Cd3d high?resolution XPS spectra of CdS/BiVO4 photoelectrode(C) and electrochemical impedance spectra and the equivalent circuit(inset) of CdS, BiVO4, BiVO4/CdS and CdS/BiVO4 photoelectrodes(D)

Table 1 EIS fitting results of CdS, BiVO4, BiVO4/CdS and CdS/BiVO4 photoelectrodes

Photoelectrode	10^-6R_trap/Ω	10¹²C_bulk/F	10^-6R_ss/Ω	10¹²C_ss/F
CdS	27.75	2.775	135.1	3.724
BiVO₄	0.3478	5.451	4.845	25.82
CdS/BiVO₄	7.106	6.864	1.245	488100
BiVO₄/CdS	5.663	5.335	56.03	1.469

Fig.4 SPV responses(A) of CdS, BiVO4, BiVO4/CdS and CdS/BiVO4 photoelectrodes, internal electric field of BiVO4/CdS(B) and CdS/BiVO4(C) photoelectrodesEf?BiVO4: BiVO4 fermi levels; Ef?CdS: CdS fermi levels; Ef?eq: Ef equilibrium.

Fig.5 Photocatalysis hydrogen evolution rate(A) and photoelectrocatalysis hydrogen evolution rate(B) of CdS(a), BiVO4(b), BiVO4/CdS(c) and CdS/BiVO4(d) photoelectrodes, the repeated photocatalysis hydrogen evolution of CdS/BiVO4 and BiVO4/CdS photoelectrodes(C)

Fig.6 Analysis of S?scheme BiVO4/CdS(A) and CdS/BiVO4(B) heterojunction formation and hydrogen production mechanism

参考文献 22

1	Wang H.， Lin Y. P.， Liu S. Y.， Li J. M.， Bu L. M.， Chen J. M.， Xiao X.， Choi J. H.， Gao L. J.， Lee J. M.， J. Mater. Chem. A， 2020， 8（15）， 7109—7116
2	Zhu Y. X.， Wan T.， Wen X. M.， Chu D. W.， Jiang Y. J.， Appl. Catal. B⁃Environ.， 2019， 244， 814—822
3	Fujishima A.， Honda K.， Nature， 1972， 238（5358）， 37—38
4	Li H. L.，ZhuH. Q.， Cao F. H.， Leng W. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2014， 35（2）， 377—383（李海丽，朱红乔，曹发和，冷文华. 高等学校化学学报， 2014， 35（2）， 377—383）
5	Sadeghzadeh⁃Attar A.， J. Adv. Ceram.， 2020， 9（1）， 107—122
6	Najafian H.， Manteghi F.， Beshkar F.， Salavati⁃Niasari M.， Sep. Purif. Technol.， 2018， 195， 30—36
7	Han H. S.， Wang W. Z.， Yao L. Z.， Hao C. C.， Liang Y. J.， Fu J. L.， Zeng P. B.， Catal. Sci. Technol.， 2019， 9（8）， 1989—1997
8	Fu J. W.， Yu J. G.， Jiang C. J.， Cheng B.， Adv. Energy Mater.， 2018， 8（3）， 1701503
9	Wu X. Q.， Zhao J.， Wang L. P.， Han M. M.， Zhang M. L.， Wang H. B.， Huang H.， Liu Y.， Kang Z. H.， Appl. Catal. B⁃Environ.， 2017， 206， 501—509
10	Fu J. W.， Xu Q. L.， Low J. X.， Jiang C. J.， Yu J. G.， Appl. Catal. B⁃Environ.， 2019， 243， 556—565
11	Wang L. L.， Yang W. S.， Wang D. J.， Xie T. F.， Chem. J. Chinese Universities， 2010， 31（12）， 2316—2318（王凌凌，杨文胜，王德军，谢腾峰. 高等学校化学学报， 2010， 31（12）， 2316—2318）
12	Li J. W.， Zhu Y. S.， Li M. L.， Cai H. B.， Ding H. Y.， Pan N.， Wang X. P.， Optik， 2018， 169， 190—195
13	Guo W.， Tang D.， Mabayoje O.， Wygant B. R.， Xiao P.， Zhang Y.， Mullins C. B.， J. Electrochem. Soc.， 2017， 164（2）， H119—H125
14	Shen Q. Q.， Xue J. B.， Li Y.， Gao G. X.， Li Q.， Liu X. G.， Jia H. S.， Xu B. S.， Wu Y. C.， Dillon S. J.， Appl. Catal. B⁃Environ.， 2021， 282， 119552
15	Bao S. Y.， Wu Q. F.， Chang S. Z.， Tian B. Z.， Zhang J. L.， Catal. Sci. Technol.， 2017， 7（1）， 124—132
16	Chen Z.， Liu Q.， Guo L.， Zhang S. T.， Pang L.， Guo Y. B.， Li T.， Appl. Catal. B⁃Environ.， 2021， 286， 119816
17	Gao R. T.， Wang L.， Angew. Chem. Int. Ed.，2020， 59（51）， 23094—23099
18	Zhang Z. J.， Karimata I.， Nagashima H.， Muto S.， Ohara K.， Sugimoto K.， Tachikawa T.， Nat. Commun.， 2019， 10， 4832
19	Li Y.， Shen Q. Q.， Guan R. F.， Xue J. B.， Liu X. G.， Jia H. S.， Xu B. S.， Wu Y. C.， J. Mater. Chem. C， 2020， 8（3），1025—1040
20	Eshete M.， Yang L.， Sharman. E， Li X. Y.， Wang X. J.， Zhang G. Z.， Jiang J.， J. Phys. Chem. Lett.， 2020， 11（9），3313—3319
21	He D.， Gao R. T.， Liu S. J.， Sun M.， Liu X. H.， Hu K.， Su Y. G.， Wang L.， ACS Catal.， 2020， 10（18）， 10570—10576
22	Gao R. T.， He D.， Wu L. J.， Hu K.， Liu X. H.， Su Y. G.， Wang L.， Angew. Chem. Int. Ed.，2020， 59（15）， 6213—6218

[1]	王广琦, 毕艺洋, 王嘉博, 石洪飞, 刘群, 张钰. 非贵金属三元复合Ni(PO₃)₂-Ni₂P/CdS NPs异质结的构建及可见光高效催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220050.
[2]	刘家琪, 李天保. BiVO₄/CuBi₂O₄薄膜光电极的制备及光电性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20220017.
[3]	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.
[4]	史潇凡, 朱剑, 白田宇, 付子萱, 张冀杰, 卜显和. 金属-有机框架材料在光电催化水分解领域的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210613.
[5]	杨晓梅, 吴强, 郭茹, 叶凯波, 薛屏, 王晓中, 赖小勇 . 超薄骨架有序介孔CdS/NiS的制备及光催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1581.
[6]	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.
[7]	李丽, 李鹏飞, 王博. 共价有机框架材料在光催化领域中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 1917.
[8]	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.
[9]	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.
[10]	刘芬, 周敏, 王苏霞, 王荣, 杨宁, 马永钧. 用化学需氧量指数法研究亚甲基蓝的可见光光电催化脱色反应机理[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(9): 1988.
[11]	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.
[12]	韩志英, 李佑稷, 林晓, 汪子钰, 李紫琴, 王昊. 导电玻璃负载Fe₂O₃/ZnO复合光电极的制备及光电催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(4): 771.
[13]	代红艳, 杨慧敏, 刘宪, 简选, 郭敏敏, 曹乐乐, 梁镇海. MoS₂/石墨烯复合阴极材料的制备及微生物电解池催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(2): 351.
[14]	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.
[15]	许蕾蕾, 李灿, 施伟东, 官建国. NaTaO₃:Cu/W的结构和可见光催化制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(11): 2537.

新型S型CdS-BiVO₄异质结光电极的构筑及产氢性能研究

Construction of a Novel S-scheme CdS-BiVO₄ Heterojunction Photoelectrodes and Research on Hydrogen Production

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