硫化镉纳米晶的表面缺陷及钯修饰对光催化制氢性能的影响

吴 凯

北京大学化学与分子工程学院，北京 100871

化石能源的过度消耗以及由此带来的环境问题日渐突出，开发利用可再生新能源迫在眉睫，近年来氢气被认为是一种清洁替代能源。自从发现利用TiO2光催化分解水制氢(PHER)1以来，半导体光催化剂制氢技术的开发已经受到人们的极大关注2,3。金属硫化物(这里主要指 ds区和 p区金属)一般拥有较窄的带宽以及合适的导带位置，对太阳光谱的响应较强4。其中，CdS作为窄带隙半导体，其带隙为2.4 eV，可以吸收520 nm波长以下的可见光和紫外光，加之其导带位置远高于H+/H2反应电势，使得CdS成为PHER的优秀半导体材料之选5。虽然CdS是一个优秀的光子捕获材料，但是其自身仅表现出有限的 PHER活性，这是因为光生电子和空穴的快速复合使得其对光能的利用率很低，同时光腐蚀现象也制约着其快速发展。因此，延长光生电荷的寿命以及加快表面反应对其的消耗是提高CdS量子产率的关键6。

为了提高光生电荷的利用率，催化剂表面需要有足够合适的活性或反应位点，加快表面的氧化或还原反应过程以降低光生电荷的重新复合机率，因此构建合适的表面结构模型将变得十分必要。催化剂的表面微结构，包括晶面原子排布、缺陷位、异质结界面等，能显著地影响表面化学反应过程。为了研究此构效关系，仍然需要构筑简单化的表面模型。鉴于此研究领域的重要性，武汉大学化学与分子科学学院洪昕林、刘国亮等人研究了形貌可控的硫化镉纳米晶的表面缺陷调控及钯修饰对光催化水分解制氢性能的影响。

该工作已在物理化学学报上在线发表(doi:10.3866/PKU.WHXB201803061)7。该工作主要讨论了长棒、短棒和三角片状三种不同形貌的CdS具有不同的表面缺陷程度，在PHER反应上表现不同的活性。他们认为表面缺陷位提供了光生电荷的诱捕位点，从而促进了光生电荷的有效分离。为了进一步提高表面光生电荷的有效利用率，他们还在CdS基底上沉积了约1% (w，质量分数)PdS来进行表面修饰，一方面促进了光生电荷的转移和分离，另一方面降低表面化学反应的势垒，最终 PHER的效率得到大幅提升，最高制氢产率达到了 7884 μmol·h-1·g-1。希望本文能够为了解纳米晶体的表面结构调控对光催化性能的影响提供认识。