第一作者：Huaxing Li

通訊作者：劉剛, 鄭黎榮, 吳驪珠

通訊單位：國家納米科學(xué)中心，中國科學(xué)院高能物理研究所，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所

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旨在實現(xiàn)快速電荷傳輸和高效光催化性能的異質(zhì)結(jié)光催化劑的合理設(shè)計和改性是太陽光驅(qū)動的水分解和產(chǎn)氫的中心目標(biāo)，然而這仍然是一個挑戰(zhàn)。

研究團隊通過一步球磨策略制備了一種由少層紫磷烯（VP）、硫化鎘（CdS）納米粒子（NPs）和鈀單原子（SAs）組成的層級光催化劑。這些光催化劑利用S-型異質(zhì)結(jié)和單原子雙重驅(qū)動的電荷傳輸機制，實現(xiàn)了高效的光催化制氫性能。通過原位X射線光電子能譜和電子順磁共振驗證了VP/CdS p-n異質(zhì)結(jié)的S型定向電荷轉(zhuǎn)移機制。鈀原子與VP/CdS S型異質(zhì)結(jié)的耦合協(xié)同實現(xiàn)了超快的電子傳輸（2.2 ps），其中界面Pd-S和Pd-P鍵作為電子傳輸通道。

此外，密度泛函理論計算揭示了Pd原子在增強光吸收能力和優(yōu)化質(zhì)子吸附熱力學(xué)中的關(guān)鍵作用。1 wt % Pd-5 wt % VP/CdS光催化劑在可見光照射下達到了82.5 mmol h^?1 g^?1的產(chǎn)氫速率，比CdS NPs提高了54倍，并且在420 nm處的表觀量子效率（AQE）達到了25.7%。這項工作展示了S型異質(zhì)結(jié)和單原子有效結(jié)合用于促進光催化制氫的高效電荷分離。

圖文導(dǎo)讀

圖1：通過一步球磨法制備PdSA-VP/CdS層級復(fù)合物的示意圖。

圖2：Pd K邊X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）光譜、Pd 3d X射線光電子能譜（XPS）光譜、X射線衍射（XRD）圖譜、微拉曼光譜、傅里葉變換紅外（FTIR）光譜等。

圖3：不同VP含量的VP/Cd S型異質(zhì)結(jié)和不同Pd含量的Pd/CV-5復(fù)合材料在可見光照射下的氫生產(chǎn)速率。

圖4：在黑暗和365 nm光照下CV-5的ISI-XPS光譜，CV-5在可見光照射下添加DMPO的電子順磁共振（EPR）光譜，以及VP、CdS和CV-5樣品在可見光照射180秒后的DMPO-?O₂ ? EPR信號。

圖5：在380 nm光照射下VP、CdS、CV-5和1-Pd/CV-5的飛秒時間分辨吸收（fs-TA）光譜和動力學(xué)圖。

圖6：Pd_SA-CdS (100)表面和Pd_SA-VP (001)表面的優(yōu)化結(jié)構(gòu)配置以及電荷密度差異，CdS和Pd_SA-CdS的總態(tài)密度（TDOS），Pd_SA-CdS的投影態(tài)密度（PDOS），VP和Pd_SA-VP的TDOS，以及CdS、Pd_SA-CdS、VP和Pd_SA-VP的ΔG_H*值比較。

總結(jié)展望

本研究通過一步球磨法成功制備了一種新型的VP/CdS S型異質(zhì)結(jié)，該異質(zhì)結(jié)由少層VP納米片和CdS納米粒子以及裝飾在其上的單鈀原子組成。通過ISI-XPS和EPR測量驗證了VP/CdS的S型電荷轉(zhuǎn)移機制。

飛秒時間分辨吸收光譜（fs-TA）和密度泛函理論（DFT）計算表明，S型異質(zhì)結(jié)和鈀單原子共同促進了光生電荷載流子的有效分離和遷移（2.2 ps）。此外，與CdS和VP通過電荷轉(zhuǎn)移和/或軌道雜化緊密結(jié)合的單個鈀原子能夠縮小CdS和VP的帶隙，增強光吸收，并優(yōu)化質(zhì)子吸附熱力學(xué)。

在存在乳酸作為犧牲劑的情況下，不同VP含量的VP/CdS異質(zhì)結(jié)中，CV-5展示了最高的HER速率6.6 mmol h^?1 g^?1，是原始CdS納米粒子的4倍。在CV-5上分散0.1?2 wt %的鈀單原子，最優(yōu)的1-Pd/CV-5催化劑具有可回收性，實現(xiàn)了最大HER速率82.5 mmol h^?1 g^?1，比裸CdS NPs高出54倍，并且在420 nm處的AQE達到了25.7%。1-Pd/CV-5的HER性能超越了文獻中大多數(shù)基于CdS的光催化劑。這項工作為合理設(shè)計和合成由S型異質(zhì)結(jié)和單原子協(xié)同工作的層級光催化劑提供了新的方法，以加速定向電荷傳輸并提高光活性。

文獻信息

標(biāo)題：S?Scheme Heterojunction/Single-Atom Dual-Driven Charge Transport for Photocatalytic Hydrogen Production

期刊：ACS Catalysis

DOI：10.1021/acscatal.4c0075