【引言】

目前，自模板策略是一種合成中空結(jié)構(gòu)催化劑簡單易行的方法。在半導(dǎo)體上定向光沉積負(fù)載助催化劑與化學(xué)沉積或物理混合相比，更能有效地利用助催化劑。但是，開發(fā)具有開放端口的多孔納米管非均相光催化劑，以及負(fù)載空間分離的雙助催化劑，仍然具有很大的挑戰(zhàn)。本文采用自模板和原位光沉積策略，獲得了具有增強光催化制氫活性的CoO_x/ZnS@CdS/Ni雙層多孔納米管催化劑。

【成果簡介】

提高半導(dǎo)體光催化劑光轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵在于提升光生載流子的分離效率。近日，天津大學(xué)的張兵（通訊作者）等人通過自模板轉(zhuǎn)換策略，制備了ZnS@CdS雙層多孔納米管（PNTs），這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)在管的內(nèi)壁和外壁上分別具有分離的氧化和還原位點。采用Ni和CoO_x作為雙助催化劑，進行選擇性光沉積后，作為電子收集器和還原反應(yīng)位點的Ni納米顆粒負(fù)載在CdS外殼上，而作為空穴收集器和氧化反應(yīng)位點的CoO_x納米粒子負(fù)載在ZnS內(nèi)殼上。新型的CoO_x/ZnS@CdS/Ni光催化劑具有以下特點：自模板衍生薄的介孔異質(zhì)結(jié)；光沉積衍生的空間分離雙重助催化劑，其協(xié)同效應(yīng)能夠為光生電子和空穴的有序轉(zhuǎn)移提供驅(qū)動力并促進表面催化反應(yīng)，極大提高了光催化制氫活性。此外，這一簡單的策略可以擴展到制備具有增強光催化活性的CoO_x/ZnSe@CdSe/Ni PNT材料的合成上。相關(guān)成果以“Self-template synthesis of double-layered porous nanotubes with spatially separated photoredox surfaces for efficient photocatalytic hydrogen production”為題發(fā)表在Science Bulletin上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖 1 CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNT催化劑的合成及其產(chǎn)氫示意圖

ZnS@CdS PNT自模板合成，CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNT的連續(xù)原位光沉積合成及光催化H₂生成過程的示意圖。

圖 2 ZnS@CdS PNT的顯微形貌及結(jié)構(gòu)圖

（a）SEM圖像；

（b）TEM圖像；

（c）HRTEM圖像；

（d）TEM圖像及其元素分布圖譜；

（e）TEM圖像及線掃元素分布曲線（1-S；2-Cd；3-Zn）；

（f）ZnS@CdS PNT、ZnS和CdS的XRD圖譜；

（g）ZnS@CdS PNT的BET圖及其孔徑分布圖。

圖 3 ZnS@CdS PNT的結(jié)構(gòu)和能級圖

（a）ZnS@CdS PNT、ZnS和CdS的UV-Vis DRS圖；

（b）ZnS@CdS PNT的（αhν）²與hν的關(guān)系曲線；

（c）ZnS和CdS PNT的莫特肖特基曲線；

（d）ZnS和CdS PNT的勢能圖。

圖 4 CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNTs的顯微形貌和結(jié)構(gòu)圖

（a）SEM圖像；

（b）TEM圖像；

（c，d）HRTEM圖像；

（e）TEM圖像及其元素分布圖譜；

（f，g）Ni 2p_3/2和Co 2p_3/2的XPS圖譜。

圖 5 空間分離雙助劑的光催化性能圖

（a）不同催化劑的產(chǎn)H₂速率圖；

（b）ZnS@CdS PNTs和CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNTs在光催化下的循環(huán)產(chǎn)H₂圖；

（c）CdS、ZnS@CdS PNTs和CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNTs的時間分辨PL光譜；

（d）不同光催化劑的瞬態(tài)光電流響應(yīng)曲線。（1-ZnS PNTs；2-CdS PNTs；3-ZnS@CdS PNTs；4-CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNTs）

【小結(jié)】

本文使用自模板策略合成了具有薄殼、獨特空間分離的還原氧化反應(yīng)位點的雙層ZnS@CdS PNTs。在具有薄的介孔異質(zhì)結(jié)的ZnS@CdS PNTs材料中，其獨特的氧化還原位點可以在內(nèi)外表面上進行選擇性原位光沉積，以固定Ni和CoO_x NPs雙助催化劑，實現(xiàn)了可見光下的高效光催化制氫。薄異質(zhì)結(jié)和空間分離的雙助催化劑，可以促使光生電子和空穴向相反方向的有序轉(zhuǎn)移。本文采用簡單的策略制備了CoO_x/ZnS@CdS/Ni PNTs，其具有增強的光催化制氫活性，這為獲得具有增強的光催化性能的非均相光催化劑開辟了新的途徑。

文獻鏈接：Self-template synthesis of double-layered porous nanotubes with spatially separated photoredox surfaces for efficient photocatalytic hydrogen production（Sci. Bull., 2018, DOI: 10.1016/j.scib. 2018.03.015）