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中国地质大学(北京)黄洪伟课题组: CdS压电和应变敏感度调控工程用于压电催化产氢

DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63976-1


01

前言


近日,《催化学报》在线发表了中国地质大学(北京)黄洪伟教授团队在压电催化领域的最新研究成果。该工作报道了CdS压电性和应变敏感性调控,进而优化压电催化分解水制氢活性。论文第一作者为:王晶晶,论文通讯作者为:黄洪伟教授。

02

背景介绍


全球能源和气候危机呼吁人类解决上述问题,利用具有压电效应的非中心对称结构半导体材料,压电催化分解水制氢被认为可实现全天候机械能收集和利用、可持续能源高效产出的一种极具发展潜力的技术。此外,研究者们还发现压电效应的引入诱发压电极化电场进而增强光催化活性。更多的压电材料包括钙钛矿材料(BaTiO3、ZnSnO3、CH3NH3PbI3等)、纤锌矿材料(如ZnO、ZnS、CdS等)、二维材料(如MoS2、Bi2WO6、2D黑磷等)和有机聚合物(PVDF、PDMS、石墨相氮化碳等)被报道作为压电催化剂用于压电催化分解水制氢、CO2还原、降解污染物、杀菌等领域。然而,基于压电材料如纤锌矿晶体,其内在极化的调控以及结构与压电性之间的相互影响尚缺乏。本工作以典型的纤锌矿CdS压电材料为模型,主要研究晶体微结构对其压电性、形变能力以及压电催化活性之间的联系,并对压电电荷传递行为和压电催化机理做出阐释。

03

本文亮点


1.本工作基于CdS半导体材料,研究了催化剂微观结构与压电性能之间的相互关系,一维纳米棒CdS(CdS-R)相比于纳米花球CdS(CdS-S)表现出显著提高的压电催化制氢活性。
2.有限元模拟对CdS纳米棒和CdS纳米花球在横向和轴向机械力作用下的形变度和压电电势分布的分析表明,棒状CdS产生更大的形变和压电电势,在压电电场下载流子得到有效分离,从而证实棒状CdS催化剂在超声激发下具有更高的催化活性。

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图文解析


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▲图1. (a)CdS-R和(b)CdS-S的 SEM图;CdS-R的(c)TEM和(d)HRTEM图与SAED图。


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▲图2. (a)CdS-R和CdS-S的DRS光谱;(b)(F(R)hv)2与光子能量(hv)对应曲线图;(c)XPS价带谱和(d)能带结构示意图。


要点:
1. 分别采用溶剂热法和水热法制备出结构均匀的CdS-R纳米棒和CdS-S纳米花球样品(图1)。
2. DRS和XPS价带谱测试表明,相比于窄带隙CdS-S,CdS-R纳米棒具有更负的导带位置,即更强的还原能力,有利于驱动水分解制氢反应(图2)。

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▲图3. CdS-R和CdS-S随时间的H2(a)产量曲线和(b)产率;(c)不同条件下压电产H2性能对比;(d)循环稳定性测试和不同超声功率下的时间依赖H2(e)产量曲线和(f)速率。


要点:
1. 在超声激发下,CdS-R展现出更高的压电催化产氢性能(157.0 μmol/h/g)和良好的稳定性,约为CdS-S分解水产氢速率的2.8倍(56.5 μmol/h/g)。
2. CdS-R在不同超声功率下的分解水产氢速率表现出差异性,最优功率为150W,表明适当的超声的功率刺激对CdS-R发挥最佳催化活性至关重要。

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▲图4. PFM表征CdS-R和CdS-S压电催化剂的(a,d)形貌图、(b,e)振幅图、(c,f)相图、(g,h)相应的压电电滞回线和(i)压电系数。


要点:
压电响应力显微镜(PFM)测试结果表明,在施加5V交流电压后观察到CdS-R显著的压电响应信号,而CdS-S展现出微弱的压电响应信号。蝴蝶曲线和相翻转曲线数据表明CdS-R的压电系数相较于CdS-S高约2.7倍,并且展现出更大的相翻转角度。因此,CdS-R具有更强的压电特性(图4)。

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▲图5. COMSOL模拟对受径向和轴向施加力下(a)CdS-S和(b,c)CdS-R模型的压电电势分布图;(d)CdS-R沿c方向生长的晶体结构示意图;超声状态下的(e)电流响应和(f)电化学阻抗谱。


要点:
COMSOL模拟分析表明,受到相同力作用下CdS-R比CdS-S产生更显著的形变和压电电势。超声激发条件下CdS-R产生更大的电流响应和更小的电化学阻抗半径,表明CdS-R有更强的界面电荷分离和迁移速率(图5)。

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全文小结


1.本工作通过溶剂热和水热法分别合成出CdS纳米棒和CdS纳米花球,所得CdS纳米棒具有更优异的压电催化水分解制氢性能。
2. 压电响应力显微镜和电滞回线测试表明,相比于花球状CdS,棒状结构CdS具有更强的自发极化和更大的压电系数。

3. 有限元方法模拟分析进一步佐证,模拟机械应力刺激下的一维棒状CdS比准零维CdS纳米花球产生更显著的形变和压电电势,进而促进载流子的产生和分离,最终有效提升压电催化剂的制氢活性。


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作者介绍


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黄洪伟,中国地质大学(北京)材料科学与工程学院教授。主要研究方向为“极性光催化材料”的晶体结构设计和电荷调控及其在能源、环境、生物医学等领域的应用,包括光催化CO2还原、水分解、有机物合成、污染物净化、灭菌等。荣获国家四青人才、霍英东基金青年教师奖、翟裕生青年教师奖、中科院院长优秀奖等。以第一或通讯作者在国际著名期刊Nature Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Sci. Bull.等发表SCI论文170余篇。2019-2021年连续三年入选科睿唯安全球“高被引学者”,入选全球顶尖科学家和2021年中国高被引学者。

文献信息:
Jingjing Wang, Cheng Hu, Yihe Zhang, Hongwei Huang *, Chin. J. Catal., 2022, 43: 1277–1285  


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