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江河清團(tuán)隊(duì)Chem. Eng. J.：Ni摻雜CoP實(shí)現(xiàn)高效光催化水分解

基于半導(dǎo)體的太陽能水分解產(chǎn)氫和過氧化氫的制備是一種將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的極具吸引力的技術(shù)，它被認(rèn)為是緩解環(huán)境問題和能源危機(jī)的一種有前景的替代策略。然而，由于光催化劑的能帶位置和水氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，大多數(shù)光催化反應(yīng)體系主要集中在單一反應(yīng)，如析氫反應(yīng)或通過水氧化/氧還原反應(yīng)產(chǎn)生H₂O₂。

雖然這兩種有價(jià)值的產(chǎn)物在之前報(bào)道的一些文獻(xiàn)中已經(jīng)同時(shí)制備，但人工光合過程仍然受到生產(chǎn)力和穩(wěn)定性的限制。因此，開發(fā)一種高產(chǎn)、穩(wěn)定的新型光催化劑是非常必要的。

基于此，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所江河清等人采用了吸收-磷化策略，將Ni摻雜的磷化鈷(CoP)納米顆粒(~4 nm)精確地錨定在磷化氮化碳(PCN)納米片上。該催化劑展現(xiàn)出了優(yōu)異的光催化水分解性能。

在不添加任何犧牲劑的情況下，本文通過在模擬日光照射下得到的催化劑的H₂和H₂O₂產(chǎn)率評估了制備的PCN-Ni-CoP等催化劑的光催化水分解性能。根據(jù)測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在2小時(shí)時(shí)，PCN-Ni-CoP樣品的產(chǎn)氫速率可達(dá)248.5 μmol·g^-1，遠(yuǎn)高于PCN-CoP(67.9 μmol·g^-1)。

此外，對于純CN和PCN催化劑則沒有檢測到明顯的析氫現(xiàn)象，這意味著CoP納米粒子作為還原活性位點(diǎn)改善了催化劑的光催化析氫性能。

此外，PCN-Ni-CoP同樣具有光催化產(chǎn)H₂O₂性能，催化劑在2小時(shí)時(shí)的H₂O₂產(chǎn)率高達(dá)894 μmol·g^-1，而PCN和PCN-CoP的H₂O₂產(chǎn)率則僅分別為101和606 μmol·g^-1。為了進(jìn)一步了解PCN-Ni-CoP各組分的作用，本文還進(jìn)行了一系列的控制實(shí)驗(yàn)。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ni和Co前驅(qū)體的適當(dāng)摻雜是催化劑獲得最佳活性的關(guān)鍵。

本文的研究結(jié)果表明，摻雜Ni的CoP助催化劑作為活性位點(diǎn)可以有效地加速表面催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。同時(shí)，在CN納米片中引入P元素不僅拓寬了吸收區(qū)域，還提高了催化劑的電子電導(dǎo)率，加速了內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移。

此外，PCN與Ni-CoP助催化劑之間的Co-N配位可以作為原子尺度的載流子轉(zhuǎn)移通道，可以促進(jìn)界面光激發(fā)載流子的分離和轉(zhuǎn)移。由于PCN和緊密錨定的Ni摻雜CoP之間的協(xié)同作用，催化劑產(chǎn)生H₂和H₂O₂的同時(shí)，其穩(wěn)定性也顯著提高。

值得注意的是，通過耦合2e^–氧還原反應(yīng)(ORR)和2e^–水氧化反應(yīng)(WOR)，催化劑的H₂O₂產(chǎn)率有所提升，其中Ni-CoP納米粒子和PCN的P位點(diǎn)作為了還原和氧化活性位點(diǎn)。總之，這項(xiàng)工作不僅為實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的光催化水分解提供了對摻雜過渡金屬的磷化材料的結(jié)構(gòu)的獨(dú)特見解，還闡明了同時(shí)產(chǎn)生H₂和H₂O₂的途徑。

Precisely Anchoring Ni-doped Cobalt Phosphide Nanoparticles on Phosphatized Carbon Nitride for Efficient Photocatalytic Water Splitting, Chemical Engineering Journal, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.144898.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144898.

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