华东理工大学张金龙教授团队|负载于碳布上的CdS/WO3 Z型异质结用于高效光催化制氢

    在资源和环境问题日益严峻的今天，寻找传统燃料的清洁替代品越来越受到重视。氢气具有无毒、高热值、燃烧产物无害等特点，被认为是一种很有潜力的替代性燃料。CdS材料具有合适的带隙和理想的导带位置，已被广泛研究用于光催化制氢。然而，由于其光生电子-空穴对复合率高和严重的光腐蚀现象，纯CdS远未能满足实际应用的需求。Z型异质结体系的构建是促进光生电子-空穴对分离的一种有效的策略。

    本文在CdS和WO₃之间设计了Z型结构，以提高光生载流子的分离效率。传统的光催化剂通常以粉末的形式进行研究和使用，这就会存在回收困难的问题，限制了其在工业方面的应用。将光催化剂固定化是解决这一困境的一种有效方法。

    在诸多的基底材料中，碳布(CT)具有比表面积大、孔结构均匀、表面吸附反应活性高等特点，是一种理想的支撑材料。更重要的是，使用碳布作为支撑可以促进具有纳米结构特征的材料均匀生长，并产生分层结构。此外，与一些刚性载体相比，碳布的柔韧性使其易于在不同形状的反应器中使用，更易于回收利用。

    本文成功地在碳布表面制备了一种无需额外电子传输介质的Z型异质结复合光催化剂，有效提高了光生载流子的分离效率。这种将Z型异质结光催化剂有效负载的设计，为高效析氢材料的制备提供了新的窗口，对未来光催化剂的实际应用具有积极的影响。

    本文通过水热法，成功将CdS/WO₃异质结负载到了碳布表面。

    如图1(a)所示，反应前的纯碳纤维表面光滑，没有杂质。而在碳纤维表面生长上不同催化剂后，均可观察到催化剂颗粒在棒状纤维上的负载，并且呈现出均匀分布，同时在纤维间隙中没有存在多余的粉末，如图1(b-d)。因此，催化剂的固定化是成功的。

    图1(e)是制得各样品的XRD谱图，可以看到在CdS、WO₃双负载的碳布样品(WCd-CT)中，同时出现了CdS和WO₃的特征峰，验证了这两者的存在。

    本文以碳布为基材，采用两步水热法制备了直接Z型CdS/WO₃复合光催化剂，并将其应用到光催化产氢和有机物降解中。研究表明：

(1) 在碳布的支撑下，光催化剂趋于均匀生长，且催化剂粉体颗粒与碳纤维表面存在较强的相互作用。

(2) 复合光催化剂在模拟太阳光下表现出优异的光催化活性。在加入一片WCd-CT的条件下，H₂生成速率达到了17.28 μmol/h，约为Cd-CT的5.5倍，并表现出良好的稳定性。

(3) 有效的光生载流子分离和转移。通过Z型异质结体系的构建，复合材料中光生电子-空穴对的分离和转移得到了明显的改善。

Z-scheme CdS/WO₃ on a carbon cloth enabling effective hydrogen evolution

Zehong XU¹ , Qiaohong ZHU¹ , Xinguo XI² , Mingyang XING¹ , Jinlong ZHANG^3*

作者单位：

1、Shanghai Engineering Research Center for Multi-media Environmental Catalysis and Resource Utilization, School of Chemistry and Molecular Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

2、School of Chemistry and Chemical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, China

3、Shanghai Engineering Research Center for Multi-media Environmental Catalysis and Resource Utilization, School of Chemistry and Molecular Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

School of Chemistry and Chemical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, China

Keywords:

photocatalysis, CdS/WO₃, carbon cloth, Z-scheme;, hydrogen evolution

通讯作者简介

张金龙，华东理工大学化学与工程学院教授，博士生导师。主要研究方向：1）高效光催化材料的设计、制备及在环境和能源领域中的应用；2) 有机功能染料的设计和合成。Res. Chem. Intermed. 副主编、Applied Catalysis B: Environmental, Scientific Reports, J. Photocatalysis国际编委。发表论文480余篇，包括以第一作者或通讯作者在Nat. Comm., Chem.,  Chem. Soc. Rev., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew Chem Int Ed, Energy & Environmental Science等国际一流杂志上发表研究论文，被引用超过30000次，H因子为94。2014-2020年连续入选Elsevier公布的中国高被引学者之一，2018-2020年被科睿唯安评为 “全球高被引科学家” （Highly Cited Researchers）。2019年当选欧洲科学院院士（外籍）。