金属所《JMST》：强界面接触促进复合材料光催化析氢！

光解水制氢是解决全球能源危机和环境污染问题最有前途的方法之一。考虑到太阳光(UV: 5%，可见光:43%，红外:52%)的能量分布，可见光和近红外(NIR)光的有效利用是开发高效光催化剂的关键。过去已经开发各种方法来扩大光催化剂的光吸收，将半导体与光吸收器集成是一种有效的策略。采用合适的组分构建复合光催化剂，不仅可以扩大光吸收范围同时也提高了光能载流子的分离。复合光催化剂中不同组分的界面是控制光催化性能的一个重要参数，它会影响光生载流子在复合材料中的转移。虽然已有研究表明含有上转换材料的复合光催化剂在利用长波长的光方面具有优势，但其界面特性在影响这类复合材料活性方面的潜在作用却很少研究。

 

中科院金属研究所的研究人员以上转换材料NaYF₄:Yb,Er和可见光活性光催化剂CdS为模型体系，通过调节界面接触来提高光催化活性的潜力。强界面接触在实现高光催化产氢中起着重要作用，探讨了增强的可能诱因。相关论文以题为“Strong interface contact between NaYF₄:Yb,Er and CdS promoting photocatalytic hydrogen evolution of NaYF₄:Yb,Er/CdS composites”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.069

合成NaYF₄:Yb,Er/CdS复合材料时，将200mg NaYF₄:Yb,Er和100 mg CdCl₃分散在10 mL甲醇中搅拌10 min，然后离心，甲醇洗涤，再离心。将沉淀物放入含有120mg Na₂S的10 mL甲醇溶液中搅拌10 min，离心后在空气中90℃干燥10 h，得到的样品简称为:NaYF₄:Yb,Er/CdS。将NaYF₄:Yb,Er/CdS分别在350、380、400、450℃的氩气下，以50mL/min的速度退火1h，得到的样品称为NaYF4:Yb,Er/CdS-T，其中T为温度。

 

研究发现，在NaYF4:Yb,Er表面有大量约30 nm的纳米颗粒，颗粒的晶格间距为3.4和2.9，分别对应于立方CdS的(111)和(002)平面。CdS与NaYF4:Yb,Er之间存在非晶层。六方相CdS结晶度高，与NaYF4:Yb,Er形成良好的界面相互作用，界面不存在非晶层。退火温度对NaYF4:Yb,Er/CdS样品的形貌有明显影响，随着退火温度的升高，CdS颗粒变小，这可能是由于相变引起的体积收缩，以及表面能的最小化使NaYF4:Yb,Er纳米棒的横向形状由六边形变为圆形。

图1 NaYF₄:Yb,Er/CdS-T合成过程示意图

 

图2 (a-c) NaYF4:Yb,Er/CdS和(d-f) NaYF4:Yb,Er/CdS-380的SEM、TEM和高分辨率TEM图

 

图3 (a) NaYF4:Yb,Er/CdS和NaYF4:Yb,Er/CdS-380的紫外-可见-近红外吸收光谱; (b)光致发光光谱; (c)不同温度下退火的NaYF4:Yb,Er/CdS的紫外-可见-近红外吸收光谱; (d) PL光谱

 

图4 (a, c)λ>400nm和(b, d) λ>600nm光照射下，不同样品的光催化析氢速率

 

本文研究了由上转换NaYF₄:Yb/Er纳米棒与光催化纳米颗粒CdS组成的NaYF₄:Yb,Er/CdS复合材料。所有退火样品的发射强度都显著高于原始的NaYF₄:Yb,Er/CdS。退火后的样品中，NaYF₄:Yb,Er/CdS-380的发射峰最弱。在380℃的最佳退火温度下得到的NaYF₄:Yb,Er/CdS复合材料在λ>400 nm和λ>600nm的光照下，与未退火的复合材料相比，其光催化产氢能力显著增强。本文对开发高效的上转换辅助光催化材料体系具有重要意义，为进一步优化上转换材料复合光催化剂的性能提供了参考。（文：破风）

‍‍‍