近日，材料學院李鎮(zhèn)江泰山學者團隊在光催化分解水制氫領域取得新進展。相關成果以“Modulating electronic structure and sulfur p-band center by anchoring amorphous Ni@NiSxon crystalline CdS for expediting photocatalytic H2evolution”為題發(fā)表在國際知名期刊Applied Catalysis B: Environmental（中科院一區(qū)TOP期刊，影響因子22.1）。
光催化分解水可以將太陽能轉化為可儲存的氫氣，有望使人類擺脫對化石燃料的依賴。硫化鎘（CdS）由于具有良好的可見光響應和合適的帶隙，被認為是一類極具應用潛力的光解水制氫催化劑。然而，單一CdS由于受限的載流子分離動力學以及遲緩的界面析氫動力學，其光催化制氫性能并不令人滿意。助催化劑修飾可顯著增強CdS的制氫活性，這是因為助催化劑可提供豐富的析氫活性位點。根據Sabatier原理，理想的活性位點對中間物H*吸附力既不能太強也不能太弱。遺憾的是，目前開發(fā)的助催化劑，特別是非貴金屬助催化劑，由于其不合適的電子結構，導致活性位點對H*的吸附過強或者過弱，嚴重限制了助催化劑的析氫活性。因此，優(yōu)化活性位點與H*的鍵能是提高光催化劑析氫效率的關鍵。
鑒于此，材料學院李鎮(zhèn)江教授團隊制備了一種非晶型的Ni@NiSx助催化劑，并通過部分還原策略將其組裝到CdS上形成非晶-晶體Ni@NiSx-CdS復合光催化劑，并提出活性位點富集和活性位點電子結構調控的有效耦合策略，進而大大提高了CdS的光催化析氫性能。
光催化實驗表明最優(yōu)的Ni@NiSx-CdS光催化劑表現出優(yōu)異的分解水制氫性能，其產氫速率達到78.7 mmol·g?1·h?1，且經長時間連續(xù)多次重復使用后仍保持良好的活性。理論計算證明Ni@NiSx-CdS中的Ni團簇、NiSx和CdS之間具有緊密的異質界面，有利于界面間的電荷傳輸。此外，Ni團簇的嵌入使得三者間存在梯度功函數的變化，為電子在界面間的流動提供驅動力，進而誘導活性硫位點p帶中心下移，優(yōu)化了活性硫位點與中間體H*之間的相互作用，降低H*吉布斯自由能(ΔGH*)。
材料學院2021級博士研究生張新磊為第一作者，李鎮(zhèn)江教授及孟阿蘭教授為共同通訊作者，青島科技大學為唯一通訊單位。該研究得到了國家自然科學基金、泰山學者計劃及山東省自然科學基金重大基礎等項目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123398。
該團隊長期致力于光催化分解水制氫相關方面的研究工作，近期的其它相關成果分別發(fā)表在ACS Catalysis (2023,13, 1020-1032), Chemical Engineering Journal (2022,431, 134000;2022,445, 136785), Journal of Colloid and Interface Science (2023,642, 669-679)等國際期刊上。
