導讀

太陽能以其取之不盡、用之不竭、清潔可再生等特點，有望成為化石燃料的替代能源之一，半導體光催化因其成功將太陽能轉化為所需的化學能而引起了研究者極大的興趣。光催化制氫是將太陽能轉化為化學能的最重要途徑之一，而其關鍵技術在于開發(fā)高效、高穩(wěn)定性、低成本的光催化劑。

基于此，復旦大學戴維林教授課題組設計了一種CdSe納米棒@Ti3C2 MXene納米片復合光催化劑，并結合SPM（掃描探針顯微鏡）及原位光照XPS（X射線光電子能譜）結果進行相關機理探討，為進一步開發(fā)高效穩(wěn)定的光催化體系提供了研究思路。島津分析中心參與該項研究工作，相關合作成果發(fā)表于光催化領域國際知名SCI期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（IF=24.3）上。

圖1. 期刊首頁截圖

圖2. 摘要譯文

研究內容概覽

CdSe（硒化鎘）因其合適的帶隙、在可見光區(qū)的強吸收和高化學穩(wěn)定性而備受關注，然而由于光生載流子的快速復合，單獨使用CdSe的產氫性能仍然不能令人滿意。Ti3C2 MXene作為一種新型二維材料，具有獨特的結構以及良好的物理化學性能，與合適的窄禁帶半導體復合可以獲得可見光催化活性并促進光生載流子的分離。

XPS&SPM攜手，探明電子轉移機理

本研究工作利用原位水熱技術構建了由Ti3C2 MXene納米片（采用島津SPM測定得到的片層厚度為~1.45 nm，見圖3）和CdSe納米棒組成的二元異質結，通過光催化產氫活性測試發(fā)現(xiàn)，在可見光下，CdSe-Ti3C2 MXene（以下簡稱CdSe-MX）的最佳氫生成活性比原始CdSe高近六倍。

圖3. Ti3C2 MXene納米片片層厚度測定

圖4. 島津AXIS Supra+儀器及SPM-9700HT

圖5給出了CdSe-MX復合材料與純CdSe的各元素高分辨XPS譜圖，較于純物質，復合后結合能的移動可反映出復合材料之間存在電子轉移作用，一般失去電子的一方結合能升高，反之降低。圖5（a、d）中，與純MXene相比，CdSe-MX的C 1s中歸屬于C-Ti峰的結合能以及Ti 2p中Ti-C 2p3/2的結合能位置均降低；相應地，與純CdSe相比，CdSe-MX的Se 3d5/2結合能以及Cd 3d5/2結合能位置均升高。以上結果表明CdSe-MX復合材料中電子由CdSe轉移至Ti3C2 MXene表面。進一步地，采用島津SPM獲得了CdSe-MX的原子力顯微鏡圖像和相應的表面電位分布（圖6）。CdSe富集區(qū)域的較高電勢表明失去電子的趨勢更大，進一步表明電子轉移是從CdSe到MXene。

圖5. CdSe-MX復合材料與純CdSe的(a) C 1s、(b) Cd 3d、(c) Se 3d、(d) Ti 2p  高分辨率XPS譜圖

圖6. CdSe-MX的原子力顯微鏡圖像和相應的表面電位分布

由于真實反應體系在光照下進行，故進一步采用原位光照XPS用于探索CdSe和Ti3C2 MXene之間的電荷轉移，結果見下圖7。與黑暗條件相比，Cd 3d的結合能在光照射下正向移動0.4 eV，Se 3d 峰的結合能在光照條件下也正向移動0.3 eV。同時，Ti 2p 峰的結合能在可見光照射下負向移動0.2 eV。這一發(fā)現(xiàn)證明了在原位光照條件下，電子進一步從CdSe轉移到MXene。

圖7. 原位光照前后CdSe-MX的Cd 3d (a)、Se 3d (b) 和Ti 2p (c)的高分辨率XPS譜圖

客戶心聲

復旦大學 戴維林教授

復旦大學化學系戴維林教授表示：采用XPS與SPM技術聯(lián)合成功證明了復合材料中的電子轉移方向，為本篇文章的機理研究提供了有理論據(jù)。此外傳統(tǒng)的非原位表征手段，只能體現(xiàn)催化劑反應前與反應后的狀態(tài)，原位表征在催化反應中逐漸成為不可或缺的表征手段，原位光照XPS的引入更能體現(xiàn)反應狀態(tài)下的材料特征，期望后續(xù)能夠與島津有更多關于原位表征的合作。

撰稿人：崔園園、劉仁威

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