水锌矿衍生富缺陷ZnO/ZnS异质光催化剂可见光分解水
研究背景
ZnO/ZnS异质结光催化剂中引入缺陷工程是同时提高其可见光性能和光催化效率的有效方法。近日，广州大学彭峰教授课题组创新通过水锌矿（Zn5(OH)6(CO3)2）中间体衍生反应合成了缺陷富集的ZnO/ZnS异质结构光催化剂。研究发现，商品化ZnO与硫脲经水热法制备的（Zn5(OH)6(CO3)2）/ZnS复合材料，通过高温煅烧可实现富缺陷ZnO/ZnS异质光催化剂的生成（间隙Zn与Zn空位在ZnO部分，S空位，间隙S，与Zn空位共存于ZnS部分）。这种独特的富缺陷体系促使所制备ZnO/ZnS异质结光催化剂具有高效可见光催化产氢性能。实验发现，在可见光照射下，ZnO/ZnS的光催化析氢速率达到11.68 mmol h-1 g-1，在模拟阳光照射下，最佳光催化析氢速率可达27.94 mmol h-1 g-1，远高于目前大部分已报道的ZnO/ZnS异质结构光催化剂。本研究为制备高光催化活性、稳定性的富缺陷型ZnO/ZnS基光催化材料提供了一种简单、低成本的方法。
全文速览
要点1：ZnO/ZnS异质光催化剂制备方面：
（i） 采用水锌矿中间体法制备了一种具有丰富缺陷和高可见光响应的新型ZnO/ZnS异质结构光催化剂（图1）；
（ii） 经SEM、TEM、XRD、XPS、表面光电压谱、电子顺驰共振谱等多种表征分析方法探明了不同水热硫化程度及煅烧温度对ZnO/ZnS材料组成、形貌、缺陷化程度的影响（图2-4）。
要点2：ZnO/ZnS异质光催化剂性能与机理研究方面：
（i） 光催化析氢测试表明，全光谱模拟太阳光照射下ZnO/ZnS(0.8)-400的析氢速率达到27.94 mmol h-1 g-1，而在λ > 400 nm可见光照射下ZnO/ZnS(0.6)-400的析氢性能最好，其析氢速率为11.68 mmol h-1 g-1（图5）。
（ii） 结合产氢性能、表面光电压谱、瞬态荧光光谱、单色光载Pt等实验结果阐明了ZnO/ZnS复合材料的光催化还原位点主要位于ZnS上，催化过程中光生电子的转移主要遵循典型的Z型传导机制（图6）。
图1. 富缺陷ZnO/ZnS(x)-400样品的水热生长和高温煅烧后样品形貌结构变化示意图。
图2. (A) ZnO-400，(B) ZnO/ZnS(0.4)-400，(C) ZnO/ZnS (0.6) -400，(D) ZnO/ZnS (0.8) -400，(E) ZnO/ZnS (1.0) -400和(F) ZnS-400的SEM图像；(G) ZnO-400、(H) ZnO/ZnS (0.8) -400和(I) ZnS-400的HRTEM图像；和(J) ZnO/ZnS (0.8)-400的对应元素映射光谱。
图3.（A）ZnO/ZnS(x)的XRD谱；（B）ZnO/ZnS(x)-400的XRD谱；（C） ZnO/ZnS(x)-400的ZnLM2、（D）Zn2P、（E）O 1s和（F）S 2p XPS光谱。
图4 ZnO-400、ZnS-400和ZnO/ZnS (x)-400的紫外-可见漫反射图(A)、(B) Tauc图、(C)室温PL光谱、(D) EPR图、(E)表面光电压谱和(F) 荧光寿命衰减图。
图5 (A) ZnO/ZnS（x）和(B) ZnO/ZnS (x) -400在模拟阳光(AM1.5)下的析氢性能，(C) ZnO/ZnS(0.8)-400在模拟阳光下的稳定性，(D) ZnO/ZnS(x)-400可见光(λ> 420 nm)下的析氢性能，(E) ZnO/ZnS(0.6)-400在可见光下的稳定性，(F) ZnO/ZnS(0.8)-400在不同单色波长下的析氢量和表观量子效率(AQE)。
图6. (A) ZnO/ZnS(x)-400样品的光催化电子转移过程， (B) 380 nm和(C) 420 nm单色光下光沉积Pt后的元素分布图。
该成果发表在ChemSusChem ( https://doi.org/10.1002/cssc.202200860 ), 论文第一作者为广州大学硕士研究生值亚青，通讯作者为彭峰教授。
本文链接：https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.202200860
Citation
Yaqing Zhi,Yuan Yi, Chenxi Deng,Qiao Zhang,Siyuan Yang,* Feng Peng*. Defect enriched ZnO/ZnS heterostructures derived from hydrozincite intermediates for hydrogen evolution under visible light, 2022, ChemSusChem, doi.org/10.1002/cssc.202200860