導(dǎo)讀

太陽能以其取之不盡、用之不竭、清潔可再生等特點(diǎn)，有望成為化石燃料的替代能源之一，半導(dǎo)體光催化因其成功將太陽能轉(zhuǎn)化為所需的化學(xué)能而引起了研究者極大的興趣。光催化制氫是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的最重要途徑之一，而其關(guān)鍵技術(shù)在于開發(fā)高效、高穩(wěn)定性、低成本的光催化劑。

基于此，復(fù)旦大學(xué)戴維林教授課題組設(shè)計(jì)了一種CdSe納米棒@Ti3C2 MXene納米片復(fù)合光催化劑，并結(jié)合SPM（掃描探針顯微鏡）及原位光照XPS（X射線光電子能譜）結(jié)果進(jìn)行相關(guān)機(jī)理探討，為進(jìn)一步開發(fā)高效穩(wěn)定的光催化體系提供了研究思路。島津分析中心參與該項(xiàng)研究工作，相關(guān)合作成果發(fā)表于光催化領(lǐng)域國際知名SCI期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（IF=24.3）上。

圖1. 期刊首頁截圖

圖2. 摘要譯文

研究內(nèi)容概覽

CdSe（硒化鎘）因其合適的帶隙、在可見光區(qū)的強(qiáng)吸收和高化學(xué)穩(wěn)定性而備受關(guān)注，然而由于光生載流子的快速復(fù)合，單獨(dú)使用CdSe的產(chǎn)氫性能仍然不能令人滿意。Ti3C2 MXene作為一種新型二維材料，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及良好的物理化學(xué)性能，與合適的窄禁帶半導(dǎo)體復(fù)合可以獲得可見光催化活性并促進(jìn)光生載流子的分離。

XPS&SPM攜手，探明電子轉(zhuǎn)移機(jī)理

本研究工作利用原位水熱技術(shù)構(gòu)建了由Ti3C2 MXene納米片（采用島津SPM測定得到的片層厚度為~1.45 nm，見圖3）和CdSe納米棒組成的二元異質(zhì)結(jié)，通過光催化產(chǎn)氫活性測試發(fā)現(xiàn)，在可見光下，CdSe-Ti3C2 MXene（以下簡稱CdSe-MX）的最佳氫生成活性比原始CdSe高近六倍。

圖3. Ti3C2 MXene納米片片層厚度測定

圖4. 島津AXIS Supra+儀器及SPM-9700HT

圖5給出了CdSe-MX復(fù)合材料與純CdSe的各元素高分辨XPS譜圖，較于純物質(zhì)，復(fù)合后結(jié)合能的移動(dòng)可反映出復(fù)合材料之間存在電子轉(zhuǎn)移作用，一般失去電子的一方結(jié)合能升高，反之降低。圖5（a、d）中，與純MXene相比，CdSe-MX的C 1s中歸屬于C-Ti峰的結(jié)合能以及Ti 2p中Ti-C 2p3/2的結(jié)合能位置均降低；相應(yīng)地，與純CdSe相比，CdSe-MX的Se 3d5/2結(jié)合能以及Cd 3d5/2結(jié)合能位置均升高。以上結(jié)果表明CdSe-MX復(fù)合材料中電子由CdSe轉(zhuǎn)移至Ti3C2 MXene表面。進(jìn)一步地，采用島津SPM獲得了CdSe-MX的原子力顯微鏡圖像和相應(yīng)的表面電位分布（圖6）。CdSe富集區(qū)域的較高電勢表明失去電子的趨勢更大，進(jìn)一步表明電子轉(zhuǎn)移是從CdSe到MXene。

圖5. CdSe-MX復(fù)合材料與純CdSe的(a) C 1s、(b) Cd 3d、(c) Se 3d、(d) Ti 2p  高分辨率XPS譜圖

圖6. CdSe-MX的原子力顯微鏡圖像和相應(yīng)的表面電位分布

由于真實(shí)反應(yīng)體系在光照下進(jìn)行，故進(jìn)一步采用原位光照XPS用于探索CdSe和Ti3C2 MXene之間的電荷轉(zhuǎn)移，結(jié)果見下圖7。與黑暗條件相比，Cd 3d的結(jié)合能在光照射下正向移動(dòng)0.4 eV，Se 3d 峰的結(jié)合能在光照條件下也正向移動(dòng)0.3 eV。同時(shí)，Ti 2p 峰的結(jié)合能在可見光照射下負(fù)向移動(dòng)0.2 eV。這一發(fā)現(xiàn)證明了在原位光照條件下，電子進(jìn)一步從CdSe轉(zhuǎn)移到MXene。

圖7. 原位光照前后CdSe-MX的Cd 3d (a)、Se 3d (b) 和Ti 2p (c)的高分辨率XPS譜圖

客戶心聲

復(fù)旦大學(xué) 戴維林教授

復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系戴維林教授表示：采用XPS與SPM技術(shù)聯(lián)合成功證明了復(fù)合材料中的電子轉(zhuǎn)移方向，為本篇文章的機(jī)理研究提供了有理論據(jù)。此外傳統(tǒng)的非原位表征手段，只能體現(xiàn)催化劑反應(yīng)前與反應(yīng)后的狀態(tài)，原位表征在催化反應(yīng)中逐漸成為不可或缺的表征手段，原位光照XPS的引入更能體現(xiàn)反應(yīng)狀態(tài)下的材料特征，期望后續(xù)能夠與島津有更多關(guān)于原位表征的合作。

撰稿人：崔園園、劉仁威

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