氫是替代化石燃料的最清潔能源載體，在優(yōu)化全球能源結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)碳中和方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。光催化制氫被認為是將太陽能轉(zhuǎn)化為氫氣的一條有吸引力的綠色途徑。近年來，聚合物氮化碳(PCN)由于具有合適的帶隙、易于合成和優(yōu)異的光催化活性而受到廣泛關(guān)注。

并且，與金屬氧化物半導(dǎo)體相比，它具有無金屬、成本低、可見光響應(yīng)、無毒、物理化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點。然而，由于光生載流子遷移緩慢和復(fù)合嚴重，純PCN的光催化效率仍不理想。因此，要實現(xiàn)高效的太陽能制氫，仍然需要進一步提高光生載流子的分離和轉(zhuǎn)移效率。

近日，重慶大學(xué)陳蓉課題組制備了一種以β-SiC為核，聚合物氮化碳(PPCN)為殼的β-SiC@PPCN核殼結(jié)構(gòu)光熱催化劑，用于高效光熱催化水分解產(chǎn)氫。結(jié)果表明，與純PPCN和β-SiC相比，β-SiC@PPCN異質(zhì)結(jié)在室溫下具有更高的產(chǎn)氫速率(6770 μmol g^-1 h^-1)；當(dāng)β-SiC@PPCN異質(zhì)結(jié)上同時發(fā)生光催化和熱催化時，產(chǎn)氫速率進一步提高到13046.7 μmol g^-1 h^-1。

此外，β-SiC@PPCN在λ= 365 nm處的表觀量子產(chǎn)率(AQY)為2.89%，具有優(yōu)異的單色光光催化活性；同時，其經(jīng)歷5次光催化劑循環(huán)后的產(chǎn)氫性能沒有發(fā)生明顯衰減，表現(xiàn)出優(yōu)異的反應(yīng)穩(wěn)定性。

理論計算和機理實驗結(jié)果顯示，最優(yōu)的β-SiC-50@PPCN異質(zhì)結(jié)界面光生載流子轉(zhuǎn)移的增強和吸附水的活化共同促進了光熱催化制氫。具體而言，以PPCN為殼、β-SiC為核的核殼結(jié)構(gòu)，不僅增強了β-SiC的穩(wěn)定性，而且在PPCN和β-SiC之間產(chǎn)生了內(nèi)建電場，從而增強了光生載流子的傳輸，延長了載流子的壽命。同時，由于異質(zhì)結(jié)的形成，水分解的能壘從2.6 eV降低到1.6 eV，而氫的脫附則向放熱反應(yīng)方向移動，這在熱力學(xué)上是有利的。

另一方面，核殼結(jié)構(gòu)的β-SiC-50@PPCN異質(zhì)結(jié)的產(chǎn)氫性能也受運行溫度的影響較大。在60 °C以下，溫度的升高主要有助于電子和空穴的分離，抑制復(fù)合；60 °C以上，溫度升高主要是吸附水的活化，水分子解離的能壘可以從1.6 eV進一步降低到1.3 eV。綜上，β-SiC-50@PPCN異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建對于抑制光生載流子復(fù)合和降低吸附水的表觀活化能具有重要意義。

Core–Shell β-SiC@PPCN Heterojunction for Promoting Photo-Thermo Catalytic Hydrogen Production. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c02053