郭少军: Mo掺杂In2O3-ZnIn2Se4 超薄Z型纳米片的制备及其光催化制氢

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受自然光合作用的启发，研究人员设计了基于两种半导体的多种全固态人工Z型光催化体系，其具有良好匹配的能带结构。然而迄今为止，大多数报道的Z型光催化剂体系从体相到催化剂表面的电荷转移效率仍然较低。具有高比表面积、丰富催化活性位点和较短载流子扩散程长的2D纳米片在多相光催化中具有广泛应用。2D几何结构的金属硫化物 (如In2Se3、ZnIn2S4等)具有独特且可调节的电子结构，作为可见光响应光催化剂可用于光催化分解水。此外，催化剂表面和电解质界面处的水还原动力学也是限制析氢的关键因素。可控表面工程的元素掺入可以实现活性位点的协同调节以及吸附或解吸，以实现有效的制氢性能。

近日，北京大学郭少军教授等制备了一类超薄In2O3-ZnIn2Se4(简称In2O3-ZISe)自发Z型纳米片光催化剂，可显著增强光催化制氢性能。通过形成Mo-Se键，将Mo原子引入Z型In2O3-ZISe纳米片光催化剂中，制备的In2O3-ZISe-Mo的光催化制氢活性，相比In2O3-ZnIn2Se4和In2O3纳米片分别高出21.7和232.6倍。In2O3-ZISe-Mo具有较好的光催化制氢稳定性，16 h实验活性几乎没有衰减。紫外-可见漫反射光谱、光致发光光谱、瞬态光电流谱和电化学阻抗谱表明，In2O3-ZISe-Mo的光催化性能增强主要归因于其特殊结构引起的光响应范围扩大和有效载流子分离。结果以“Ultrathin Visible-Light-Driven Mo Incorporating In2O3-ZnIn2Se4 Z-Scheme Nanosheet Photocatalysts”为题发表在Advanced Materials.

作者从理论和实验上证明了一类新型自发Z型In2O3-ZISe光催化体系。当Mo原子以Mo—Se键的形式进一步掺入In2O3-ZISe Z型纳米片时，所得In2O3-ZISe-Mo纳米片可整合Z型催化剂和助催化剂的优势，相比In2O3-ZISe和In2O3纳米片(分别为319.7和29.9 μmol·h-1·g-1)具有更高的制氢速率(6.95 mmol·h-1·g-1)。在16 h测试后制氢活性几乎没有降低，具有较高的光催化稳定性。 In2O3-ZISe-Mo纳米片的紫外-可见漫反射光谱显示其光吸收增强，其PL光谱、瞬态光电流和EIS显示其可促进光生载流子的分离和传输，这两者都是推动光催化制氢的关键。

文献链接：Ultrathin Visible-Light-Driven Mo Incorporating In2O3–ZnIn2Se4 Z-Scheme Nanosheet Photocatalysts (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201807226)