具有空间分离光氧化还原表面的双层多孔纳米管自模版合成及光催化制氢性能

半导体光催化制氢是发展清洁能源的有效途径之一，提高光催化活性的关键在于改善半导体光催化剂光生载荷子的分离效率。最近一项研究通过自模版策略构筑双层多孔异质光催化剂，空间分离的氧化、还原助催化剂分别沉积在其内、外表面，改善了光生载荷子的分离效率，有效提升了光解水制氢性能。

天津大学张兵课题组题发表了题为：“Self-template synthesis of double-layered porous nanotubes with spatially separated photoredox surfaces for efficient photocatalytic hydrogen production”研究论文(Science Bulletin 2018年第10期封面文章)。他们利用自模板法，通过连续的界面阴离子和阳离子交换反应以及模版刻蚀，构筑了异质结构的ZnS@CdS双壳层中空多孔纳米管。原位光还原的金属Ni以及光氧化的CoOx分别负载在ZnS@CdS多孔纳米管的外表面和内表面，证实了所制备的ZnS@CdS多孔纳米管具有空间分离的光还原和氧化表面。光催化结果表明，通过原位光沉积负载的空间分离双重助催化剂，光催化制氢活性得到了极大提高。

近年来，随着能源危机的爆发，开发新能源是现今社会亟需解决的问题。利用太阳光，将水转化为H2，对于缓解当今社会面临的能源短缺和环境污染问题有着重要的研究价值和应用前景。利用半导体光催化剂分解水制氢作为一种有效的制氢途径受到普遍关注。提高半导体光催化活性的关键在于改善光生载荷子的分离效率。负载助催化剂是提升光生载荷子分离效率的有效途径。然而，随机负载的助催化剂会导致光生载流子的无序转移，增加了光生电子和空穴的复合概率。合理设计合成中空纳米结构的光催化剂，并在其内外表面负载还原和氧化助催化剂，是一种解决上述问题的有效途径。但是，目前报道的此类光催化剂局限于封闭的空心球结构，而封闭的结构使得传质阻力增加。此外，负载Pt等贵金属作为电子捕获剂，限制了此类光催化体系的实际应用。

基于此，天津大学张兵课题组发展了一种自模版策略，通过连续的界面阴离子和阳离子交换反应以及模版刻蚀，成功制备了具有开口结构的异质ZnS@CdS多孔纳米管。介孔的管壁以及中空结构有利于光的穿透和内部反射，从而促进光的利用和传质。内层ZnS中Zn缺陷的存在能够富集光生空穴，外层CdS低的导带位置能够富集光生电子，使得异质结构的光生电子和光生空穴分别向外表面和内表面转移。通过原位光还原沉积的金属Ni以及光氧化沉积的CoOx分别负载在ZnS@CdS多孔纳米管的外表面和内表面，证实了所制备的ZnS@CdS多孔纳米管具有空间分离的光还原和氧化表面，极大地提高了光催化制氢活性。此外，该自模版策略还具有一定的普适性，可以制备其它具有类似结构的金属硫属化合物异质光催化剂。这个工作为构筑高效的异质光催化体系提供了新的思路和途径。

该项研究得到了国家自然科学基金项目（No. 21422104）和天津市自然基金项目(No. 17JCJQJC44700 和 No. 16JCZDJC30600)资助。

更多详情请阅原文：

YaniXina, Yi Huang, Kui Lin,YifuYu, Bin Zhang. Self-template synthesis of double-layered porous nanotubes with spatially separated photoredox surfaces for efficient photocatalytic hydrogen production. Science Bulletin, 2018, 63(10):601-608

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927318301439

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