新型自组装光催化剂可有效提高制氢效率

据材料科技在线报道：对于H₂制备来说，通过太阳光催化将水分解为H₂是一种很有吸引力的方法。而载流子的分离效率是提高光催化产氢效率的关键。最近的研究表明，具有空间分离光氧化还原表面性质的双层多孔纳米管通过自组装法进行了合成，并增强了产氢过程中的光催化的活性。

ZnS @ CdS PNTs的自组装合成和CoOx / ZnS @ CdS / Ni PNTs原位光沉积的连续合成，以及CoOx / ZnS @ CdS / Ni PNTs中光催化产生H₂过程的示意图

这篇以“self-template synthesis of double-layered porous nanotubes with spatially separated photoredox surfaces for efficient photocatalytic hydrogen production”为题的论文近日由天津大学张斌教授发表在Science Bulletin杂志上。

作者使用ZnO纳米棒（NRs）作为模板，通过连续的界面阴离子/阳离子交换反应和模板蚀刻合成了具有空间分离光氧化还原表面的ZnS @ CdS双层多孔纳米管。

Ni纳米粒子的光还原沉积和CoOx纳米粒子的光氧化沉积分别分布在ZnS @ CdS壳层的外表面和内表面，表明ZnS @ CdS双层壳层中存在空间分离光氧化还原反应位点，从而实现了光催化活性的大幅度提高。

随着近年来能源危机的爆发，新能源的开发变得尤为重要。通过太阳能的光催化将水转化为H₂被认为是用于H₂生产的一个和有吸引力的方法。而载流子的分离效率是提高光催化产氢效率的关键。装载助催化剂的促进电荷分离和产生表面氧化还原反应位点的有效手段。

在大多数情况下，助催化剂在光催化剂表面的随机分布导致光产生的电荷载体的随机流动方向拥有很高的重组概率。中空纳米结构光催化剂分别在不同表面（内表面或外表面）上设计了一种具有空间分离的光还原反应位点和光氧化反应位点，这种合理的设计是一种非常有前途的策略。

然而，这些光催化剂总是局限于具有封闭结构的空心球，这增加了质量扩散阻力，并且用作电子收集器的Pt纳米颗粒的高成本限制了它们的实际应用。

在此，Zhang小组报道了一种自我组装的方法，用来合成了一种具有开放式结构的双层ZnS @ CdS多孔纳米管（PNTs）。薄异质结构的制造使光催化剂具有空间分离还原反应和氧化反应表面，这种转换产品中的介孔壁和大孔腔允许可见光穿透并在腔内发生多次反射，大大提高了太阳辐射的利用效率。

在ZnS层的内部，Zn空缺（VZn）的存在可以作为CdS空穴的受主。CdS的导带（CB）低于ZnS的CB，可以诱导CdS外层光生电子的富集。

而Ni和CoOx选择性地将光沉积作为双重助催化剂，即Ni纳米粒子作为电子收集器和还原反应位点装载在外壳上，CoOx纳米粒子作为空穴收集器和氧化反应位点装载在内壳上。

因此，得到了一种新型的CoOx / ZnS @ CdS / Ni光催化剂，并且由于自组装衍生的薄中孔异质结与光沉积衍生的空间分离的双重助催化作用，获得了可见光驱动光催化产氢的优异性能，可以为光生电子和空穴向相反方向的有序转移提供驱动力，并促进表面催化反应。