催化学报 ›› 2024, Vol. 63: 258-269.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60069-0

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飞秒瞬态吸收光谱研究ZnSe QDs/COF S型异质结光催化产H2O2中载流子传输机理

赵艳艳a, 杨春燕b, 张淑敏c, 孙国太d, 朱必成d, 王临曦d,*(), 张建军d,*()   

  1. a商洛学院生物医药与食品工程学院, 陕西商洛 726000
    b西安医学院基础与转化医学研究所, 陕西西安 710021
    c长沙学院应用环境光催化湖南省重点实验室, 湖南长沙 410022
    d中国地质大学(武汉)材料与化学学院, 太阳燃料实验室, 湖北武汉 430078
  • 收稿日期:2024-05-08 接受日期:2024-05-27 出版日期:2024-08-18 发布日期:2024-08-19
  • 通讯作者: *电子邮箱: wanglinxi@cug.edu.cn (王临曦),zhangjianjun@cug.edu.cn (张建军).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22208332);国家自然科学基金(52202375);国家自然科学基金(52372294);国家自然科学基金(22302183);国家自然科学基金(22362004);陕西省教育厅协同创新中心项目(22JY015);陕西省重点实验室项目(SLPT2301)

Investigating the charge transfer mechanism of ZnSe QD/COF S-scheme photocatalyst for H2O2 production by using femtosecond transient absorption spectroscopy

Yanyan Zhaoa, Chunyan Yangb, Shumin Zhangc, Guotai Sund, Bicheng Zhud, Linxi Wangd,*(), Jianjun Zhangd,*()   

  1. aCollege of Biology Pharmacy and Food Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, Shaanxi, China
    bInstitute of Basic and Translational Medicine, Xi’an Medical University, Xi’an 710021, Shaanxi, China
    cHunan Key Laboratory of Applied Environmental Photocatalysis, Changsha University, Changsha 410022, Hunan, China
    dLaboratory of Solar Fuel, Faculty of Materials Science and Chemistry, China University of Geosciences, Wuhan 430078, Hubei, China
  • Received:2024-05-08 Accepted:2024-05-27 Online:2024-08-18 Published:2024-08-19
  • Contact: *E-mail: wanglinxi@cug.edu.cn (L. Wang), zhangjianjun@cug.edu.cn (J. Zhang).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22208332);National Natural Science Foundation of China(52202375);National Natural Science Foundation of China(52372294);National Natural Science Foundation of China(22302183);National Natural Science Foundation of China(22362004);Specialized Research Fund of Education Department of Shaanxi Province(22JY015);Shaanxi Province Key Research Office Project(SLPT2301)

摘要:

过氧化氢(H2O2)作为一种绿色的氧化剂, 广泛应用于有机合成、消毒杀菌、废水处理和燃料电池等领域. 然而, 传统的蒽醌法制备H2O2不仅需要使用大量有机试剂且工艺复杂, 还易产生环境污染物. H2和O2直接合成法生产H2O2则因反应选择性和产率较低, 且反应物具有极高的爆炸风险而受限. 为了克服这些不足, 光催化生产H2O2作为一种绿色高效的替代方案近年来发展迅速, 该技术利用可再生的太阳光作为光源, 以水和空气中的氧气作为原料, 将光能转变为化学能, 具有绿色高效和节能环保的显著优势. 共价有机框架(COF)作为新型结晶多孔材料, 以其固有的孔隙率、可调孔径、有序通道、大比表面积、良好的热化学稳定性及丰富表面活性位点, 在光催化生产H2O2领域展现出巨大应用潜力. 尽管COF具有诸多优势, 但在实际应用中仍面临挑战, 如单一催化剂存在光生载流子易复合和氧化-还原能力弱等问题, 需要进一步优化和改进. 为了克服这些挑战, 构建异质结结构已被证明是一种有效提升单一催化剂光催化产H2O2效率的策略.

本文通过静电吸附组装法将ZnSe量子点与3D分层花状COF复合, 制备了一种具有高效光催化生产H2O2性能的ZnSe QDs/COF S型异质结光催化剂. 密度泛函理论计算结果表明, COF和ZnSe的费米能级分别为‒5.00和‒4.38 eV. 紫外-可见吸收光谱结合MS曲线结果表明, ZnSe QDs的导带(CB)和价带(VB)分别为‒1.82和0.98 eV, COF的CB和VB分别为‒0.64和1.96 eV. 理论上, COF可作为氧化型光催化剂, ZnSe可作为还原型光催化剂. 当二者接触时, ZnSe的自由电子会通过界面自发地转移到COF上, 直到两者的费米能级相等. 此时, 分别在ZnSe和COF上接近界面的区域形成电子耗尽层和电子积聚层, 使得ZnSe和COF在界面处分别带正电荷和负电荷, 从而形成内建电场. 光照下, 该内建电场的存在加速了光生电子从COF向ZnSe的转移, 有利于弱氧化还原能力的光生电子和空穴的复合, 而强氧化还原能力的光生电子和空穴得以保留并实现空间上的分离, 从而使得ZnSe QDs/COF S型异质结具有优于单一COF和ZnSe QDs的光催化性能. 光催化产H2O2实验结果表明, 当以10%-乙醇/水作为牺牲剂时, ZnSe QDs/COF的H2O2生成率可达1895 mol g‒1 h‒1. 飞秒瞬态吸收光谱(fs-TAS)结果表明, 在光催化过程中, 有三种主要的载流子传输通道: (1) COF导带上的光生电子快速转移到ZnSe QDs价带的过程; (2) COF中缺陷态诱导的光生载流子复合过程; (3) COF中导、价带上光生电子-空穴的复合过程. fs-TAS结果表明, ZnSe QDs/COF S型异质结中构建了一种新型的电子超快转移通道, 且为S型电子传递机制, 与原位辐照X射线光电子能谱结果一致.

综上所述, 本文成功构建了一种ZnSe QDs/COF S型异质结光催化剂, 有效提高了光催化产H2O2的性能, 为构建无机/有机S型异质结用于高效光催化产H2O2提供了理论和实验参考.

关键词: ZnSe量子点, 共价有机框架, S型异质结, 载流子传输和分离, 生产H2O2

Abstract:

Abstract: Hydrogen peroxide (H2O2) has gained widespread attention as a versatile oxidant and a mild disinfectant. Here, an electrostatic self-assembly method is applied to couple ZnSe quantum dots (QDs) with a flower-like covalent organic framework (COF) to form a step-scheme (S-scheme) photocatalyst for H2O2 production. The as-prepared S-scheme photocatalyst exhibits a broad light absorption range with an edge at 810 nm owing to the synergistic effect between the ZnSe QDs and COF. The S-scheme charge-carrier transfer mechanism is validated by performing Fermi level calculations and in-situ X-ray photoelectron and femtosecond transient absorption spectroscopies. Photoluminescence, time-resolved photoluminescence, photocurrent response, electrochemical impedance spectroscopy, and electron paramagnetic resonance results show that the S-scheme heterojunction not only promotes charge carrier separation but also boosts the redox ability, resulting in enhanced photocatalytic performance. Remarkably, a 10%-ZnSe QD/COF has excellent photocatalytic H2O2-production activity, and the optimal S-scheme composite with ethanol as the hole scavenger yields a H2O2-production rate of 1895 mol g-1 h-1. This study presents an example of a high-performance organic/inorganic S-scheme photocatalyst for H2O2 production.

Key words: ZnSe quantum dot, Covalent organic framework, S-scheme heterojunction, Carrier migration and separation, H2O2 production