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

doi:10.7503/cjcu20220050

摘要/Abstract

摘要：

结合异质结构建与共催化剂改性, 以花球状Ni(OH)₂为前驱体, 经热磷酸化后得到Ni(PO₃)₂-Ni₂P二元助催化剂, 借助超声化学合成法, 与CdS NPs复合, 形成非贵金属CdS基三元光催化材料Ni(PO₃)₂-Ni₂P/CdS NPs. 以Na₂S-Na₂SO₃为牺牲剂, 在可见光(λ＞420 nm)照射下, 在不借助任何贵金属的情况下, 负载量为8%(质量分数)的Ni(PO₃)₂-Ni₂P/CdS NPs复合材料的光催化产氢速率达到4237 μmol·g^?1·h^?1, 为CdS NPs(217 μmol·g^?1·h^?1)的19倍. 在产氢循环实验中, 反应进行到第6次循环(18 h)后, 复合材料的产氢速率约为初始的89%, 具有较好的稳定性. 与CdS NPs相比, Ni(PO₃)₂-Ni₂P/CdS NPs的吸收边明显红移, 禁带宽度降至1.86 eV, 并降低了H⁺还原的过电位, 显示出增强的光吸收性能和适宜的带隙结构. 通过Ni(PO₃)₂-Ni₂P与CdS NPs之间的协同效应, 有效促进了光生载流子的分离, 提高了产氢活性和稳定性.

关键词: 硫化镉纳米粒子, 偏磷酸镍, 磷化镍, 光催化, 产氢

Abstract:

The development of visible-light-driven efficient， stable， and inexpensive photocatalysts for water- splitting hydrogen production is an important topic to address global energy and environmental challenges. In this work， a highly efficient， stable， and non-noble metal CdS-based photocatalytic composite Ni（PO₃）₂-Ni₂P/CdS NPs was synthesized by combining cocatalyst modification and heterostructure construction strategy. Binary cocatalyst Ni（PO₃）₂-Ni₂P nanosheet arrays were prepared using flower bulb Ni（OH）₂ as precursor by gas-phase sintering phosphating process， and CdS NPs were combined with them to form a new type of ternary composite photocatalyst ［Ni（PO₃）₂-Ni₂P/CdS NPs］ by sonochemical. The photocatalytic hydrogen production rate of 8%（mass fraction） Ni（PO₃）₂-Ni₂P/CdS NPs reaches 4237 μmol·g^?1·h^?1 with Na₂S-Na₂SO₃ as sacrificial agent under the irradiation of visible light（λ>420 nm）， which is about 19 times for CdS NPs（217 μmol·g^?1·h^?1）. In the cycling experiment， the hydrogen production rate of reaction is about 89% of the initial value after sixth cycles（18 h）， which demonstrates excellent catalytic stability. Compared with CdS NPs， the absorption edge of Ni（PO₃）₂-Ni₂P/CdS NPs is obviously red-shifted， the forbidden band width is reduced to 1.86 eV， and the overpotential of H⁺ reduction is reduced， which exhibits strong light absorption properties and a suitable band gap structure. The photogenerated electrons of CdS NPs are transferred to Ni（PO₃）₂-Ni₂P through the synergistic effect between Ni（PO₃）₂-Ni₂P and CdS NPs， which effectively promotes the separation of photogenerated carriers and improves the activity and stability of hydrogen production. This noble-metal-free composite photocatalyst may provide a way to design very efficient water splitting catalysts， which will promotes the practical industrial application of CdS visible photocatalytic water splitting.

Key words: CdS nanoparticles, Ni（PO₃）₂, Ni₂P, Photocatalysis, Hydrogen evolution

中图分类号:

O643.3

TrendMD:

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图/表 9

Fig.1 XRD patterns(A) and FTIR spectra(B) of Ni(OH)2(a), Ni(PO3)2?Ni2P?1(b) and Ni(PO3)2?Ni2P?2(c)

Fig.2 SEM images of Ni(OH)2(A, B), Ni(PO3)2?Ni2P?1(C, D) and Ni(PO3)2?Ni2P?2(E,F)

Fig.3 XRD patterns of CdS NPs(a), 8%Ni(PO3)2?Ni2P?1/CdS NPs(b) and 8%Ni(PO3)2?Ni2P?2/CdS NPs(c)(A), SEM images of CdS NPs(B), 8%Ni(PO3)2?Ni2P?1/CdS NPs(C) and 8%Ni(PO3)2?Ni2P?2/CdS NPs(D)

Fig.4 XPS spectra of 8%Ni(PO3)2?Ni2P?1/CdS NPs（A） Full spectra；（B） Cd3d；（C） S2p；（D） Ni2p；（E） P2p；（F） O1s .

Fig.5 UV?Vis absorption spectra(A) and band gap(B) of CdS NPs, Ni(PO3)2?Ni2P?1, Ni(PO3)2?Ni2P?2, 8%Ni(PO3)2?Ni2P?1/CdS NPs and 8%Ni(PO3)2?Ni2P?2/CdS NPs, and Mott?Schottky plots(C) of CdS NPs, Ni(PO3)2?Ni2P?1 and 8%Ni（PO3）2?Ni2P?1/CdS NPs

Table 1 Band gap(Eg), conduction band(ECB) and valence band(EVB) of CdS NPs, Ni(PO3)2?Ni2P?1 and 8%Ni(PO3)2-Ni2P-1/CdS NPs

Sample	E_g/eV	E_CB/eV	E_VB/eV
CdS NPs	2.40	-0.60	1.80
Ni（PO₃）₂?Ni₂P?1	2.06	-0.54	1.52
8%Ni（PO₃）₂?Ni₂P?1/CdS NPs	1.86	-0.57	1.29

Fig.6 Photocatalytic H2 generation rates(A) of samples and results of time?circle experiment of photocatalytic H2 generation over the CdS NPs(B) and 8%Ni(PO3)2?Ni2P?1/CdS NPs(C)

Fig.7 PL spectra of samples

Fig.8 EIS Nyquist plots(A) and transient photocurrent response spectra(B) of samples

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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

Heterostructure Construction of Noble-metal-free Ternary Composite Ni（PO₃）₂-Ni₂P/CdS NPs and Its Visible Light Efficient Catalytic Hydrogen Production

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