不对称沉积合成PdS-CdSe@CdS-Au一维纳米异质结构及其光解水制氢性能

doi:10.1016/S1872-2067(17)62970-X

催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (3): 407-412.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62970-X

不对称沉积合成PdS-CdSe@CdS-Au一维纳米异质结构及其光解水制氢性能

向贤梅, 丑凌军, 李鑫恒

中国科学院兰州化学物理研究所羰基合成与选择氧化国家重点实验室, 苏州研究院, 江苏苏州 215123

收稿日期:2017-09-25 修回日期:2017-10-30 出版日期:2018-03-18 发布日期:2018-03-10
通讯作者: 李鑫恒
基金资助:
国家重点研发计划（2016YFE0105700）；国家自然科学基金（21573263）；江苏省自然科学基金（BK20151236）.

Synthesis of PdS-CdSe@CdS-Au nanorods with asymmetric tips with improved H₂ production efficiency in water splitting and increased photostability

Xianmei Xiang, Lingjun Chou, Xinheng Li

State Key Laboratory for Oxo Synthesis and Selective Oxidation and Suzhou Research Institute of LICP, Lanzhou Institute of Chemical Physics(LICP), Chinese Academy of Sciences, Suzhou 215123, Jiangsu, China

Received:2017-09-25 Revised:2017-10-30 Online:2018-03-18 Published:2018-03-10
Contact: 10.1016/S1872-2067(17)62970-X
Supported by:
This work was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFE0105700), the National Natural Science Foundation of China (21573263), and Provincial Fundamental Research Plan of Jiangsu (BK20151236).

摘要/Abstract

摘要：

提高光催化剂在光照射下产生的电子/孔穴分离效率是一个关键的科学问题之一，目前也是一个很大的挑战.最近，在纳米尺度，通过材料设计，在窄带半导体上沉积助催化剂（比如引进双助催化剂）形成异质结构，能够建立内建电场，从而使电子和空穴快速分离和传输，显示出很好的可见光量子效率.对于异质结构，纳米结构半导体如硫化镉具有表面积大、规整形貌、电子和空穴迁移路径短等优势.用纳米半导体硫化镉制备异质结构光催化剂已有很多报道，大多数研究集中于单一助催化剂来提高光催化活性，对于纳米结构的设计制备研究较少；对于稳定性研究，侧重于利用超薄碳膜包敷策略来提高光催化的稳定性.因此，复杂纳米异质结构的精准合成和稳定性仍是个不小的挑战.我们研究组发展了一种催化剂制备方法，可选择性地将Au纳米颗粒和PdS纳米颗粒分别沉积于一维硫化镉纳米棒的两端，并将所制备的催化剂应用于可见光光催化分解水制氢反应中.
本文报道了一种高选择性沉积助催化剂的新方法，制备了PdS-CdSe@CdS-Au一维纳米异质结构.首先用高温分解法和种子法制备了核壳结构的CdSe@CdS纳米棒，预先沉积纳米金在纳米棒的一端，然后PdS通过阳离子交换法高度选择性地沉积到纳米棒的另一端，形成火柴棒纳米结构.HRTEM结果显示Au和Pd分别高选择性地沉积在纳米棒顶的两端，助催化剂和纳米棒之间有一个清晰的界面，非外延生长.紫外-可见吸收光谱显示，Au和PdS与CdSe@CdS纳米棒之间有很强的电子耦合效应，相应的荧光光谱也显示，顶端的助催化剂使CdSe@CdS发生强的荧光淬灭效应.将PdS-CdSe@CdS-Au一维纳米异质结构用于光催化分解水制氢，发现5h内产氢达到1100μmol，是相应Au-CdSe@CdS催化剂产氢速率的2个数量级.同时考察了它的光催化稳定性，发现双助催化剂形成的火柴棒型纳米结构稳定性大大提高，经过4h光照仍能保持很好的形貌.
通过对照实验考察了PdS-CdSe@CdS-Au一维纳米异质结构的形成机理.一端金纳米颗粒的形成主要是由于顶端曲率的Gibbs-Thompson效应和纳米棒顶端组成分布不对称的缘故，而PdS的顶端高选择性沉积是在阳离子交换过程中两端化学性质发生变化等原因造成的.最后提出了光催化性能提高机理，主要是由于电子和空穴在一维纳米棒上快速向相反方向分离和传输，既大大提高了光催化制氢效率，也大大提高了光催化稳定性.

关键词: 光催化, 电荷分离, 助催化剂, 异质结构, 水分解

Abstract:

Charge separation is a crucial problem in photocatalysis. We used a wet-chemical method to synthesize asymmetrically tipped PdS-CdSe-seeded CdS (CdSe@CdS)-Au nanorod (NR) heterostructures (HCs). In these HCs, electrons and holes are rapidly separated and transported to opposite ends of the NRs by internal electric fields. Their ultraviolet-visible absorption spectra showed strong electronic coupling between both tips and the CdS body. PdS-CdSe@CdS-Au achieved a H₂ production rate of ca. 1100 μmol in 5 h; this is two orders of magnitude greater than the rate achieved with Au-CdSe@CdS NRs with only one tip. PdS-CdSe@CdS-Au NRs can withstand 4 h of photoirradiation, compared to 1.5 h for CdSe@CdS NRs, indicating that the photostability of PdS-CdSe@CdS-Au is much better than that of CdS. The greatly improved photocatalytic activity and stability are attributed to efficient charge separation and rapid charge transport in the PdS-CdSe@CdS-Au HCs.

Key words: Photocatalysis, Charge separation, Cocatalyst, Heterostructure, Water splitting

向贤梅, 丑凌军, 李鑫恒. 不对称沉积合成PdS-CdSe@CdS-Au一维纳米异质结构及其光解水制氢性能[J]. 催化学报, 2018, 39(3): 407-412.

Xianmei Xiang, Lingjun Chou, Xinheng Li. Synthesis of PdS-CdSe@CdS-Au nanorods with asymmetric tips with improved H₂ production efficiency in water splitting and increased photostability[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(3): 407-412.

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