硫化鎘納米晶的表面缺陷及鈀修飾對光催化制氫性能的影響

吳 凱

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

化石能源的過度消耗以及由此帶來的環境問題日漸突出，開發利用可再生新能源迫在眉睫，近年來氫氣被認為是一種清潔替代能源。自從發現利用TiO2光催化分解水制氫(PHER)1以來，半導體光催化劑制氫技術的開發已經受到人們的極大關注2,3。金屬硫化物(這里主要指 ds區和 p區金屬)一般擁有較窄的帶寬以及合適的導帶位置，對太陽光譜的響應較強4。其中，CdS作為窄帶隙半導體，其帶隙為2.4 eV，可以吸收520 nm波長以下的可見光和紫外光，加之其導帶位置遠高于H+/H2反應電勢，使得CdS成為PHER的優秀半導體材料之選5。雖然CdS是一個優秀的光子捕獲材料，但是其自身僅表現出有限的 PHER活性，這是因為光生電子和空穴的快速復合使得其對光能的利用率很低，同時光腐蝕現象也制約著其快速發展。因此，延長光生電荷的壽命以及加快表面反應對其的消耗是提高CdS量子產率的關鍵6。

為了提高光生電荷的利用率，催化劑表面需要有足夠合適的活性或反應位點，加快表面的氧化或還原反應過程以降低光生電荷的重新復合機率，因此構建合適的表面結構模型將變得十分必要。催化劑的表面微結構，包括晶面原子排布、缺陷位、異質結界面等，能顯著地影響表面化學反應過程。為了研究此構效關系，仍然需要構筑簡單化的表面模型。鑒于此研究領域的重要性，武漢大學化學與分子科學學院洪昕林、劉國亮等人研究了形貌可控的硫化鎘納米晶的表面缺陷調控及鈀修飾對光催化水分解制氫性能的影響。

該工作已在物理化學學報上在線發表(doi:10.3866/PKU.WHXB201803061)7。該工作主要討論了長棒、短棒和三角片狀三種不同形貌的CdS具有不同的表面缺陷程度，在PHER反應上表現不同的活性。他們認為表面缺陷位提供了光生電荷的誘捕位點，從而促進了光生電荷的有效分離。為了進一步提高表面光生電荷的有效利用率，他們還在CdS基底上沉積了約1% (w，質量分數)PdS來進行表面修飾，一方面促進了光生電荷的轉移和分離，另一方面降低表面化學反應的勢壘，最終 PHER的效率得到大幅提升，最高制氫產率達到了 7884 μmol·h-1·g-1。希望本文能夠為了解納米晶體的表面結構調控對光催化性能的影響提供認識。