ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性【研究背景】

BiOBr是一种类石墨烯三元层状材料,在光催化降解和污水处理方面展示出潜在的应用前景。但BiOBr的带边位置不太适合光解水制氢,同时光生载流子的快速复合严重制约了BiOBr光解水制氢的效率。因此,设计BiOBr纳米片形貌,构筑合理的BiOBr催化体系,降低光生载流子的复合,对于有效提高 BiOBr光解水制氢效率至关重要。

 

【工作介绍】

本工作采用化学气相沉积(CVD)方法在碳纤维(CFs)表面合成了BiOBr纳米片。通过控制制备工艺,使BiOBr纳米片和CFs呈现出两种完全不同的接触形式:一种是BiOBr纳米片平躺在CFs上,称为平行BiOBr/C结;另一种是将BiOBr纳米片垂直插入CFs上,称为垂直BiOBr/C结。研究表明,平行结和垂直结都具有合适的导带位置,满足光解水制氢的热力学要求。特别地,平行结具有更高的载流子产率和电子-空穴对寿命, 表现出更高的产氢速率和更优的全解水性能。本工作通过控制异质结催化剂形貌,改变光催化体系中载流子的分离及传输特性,进而有效提高光催化体系的光解水制氢及全解水性能。这项工作为BiOBr系列三元层状材料在光催化制氢和全解水方面的应用奠定了理论和实验基础。该研究工作以“High Carrier Separation Efficiency in Morphology Controlled BiOBr/C Schottky Junctions for Photocatalytic Overall Water Splitting” 为题发表在国际顶级期刊ACS Nano上(DOI:10.1021/acsnano.1c02884)。该论文的第一作者为西北工业大学博士生郑孝奇,通讯作者为西北工业大学冯丽萍教授和武汉大学何军教授。

 

【内容表述】

CVD法在碳纤维(CFs)上生长BiOBr:(1)相对于液相水热法,气相生长可以获得更薄更小的单片纳米片,这意味着更高的比表面积和更多的活性位点。(2)作为基底材料,CFs可以支撑BiOBr纳米片的生长,并可方便地作为独立光催化剂,实现更容易、更快的回收。(3) CVD在CFs上生长BiOBr过程中,促进了BiOBr中氧空位(OVs)的生成,并形成一定的OVs浓度梯度。OVs能够捕获光生电子,促进载流子分离。(4)具有类金属特性的碳纤维与BiOBr半导体形成肖特基结,可以极大促进BiOBr中光生载流子的分离。

 

1. UPS谱,DRS谱以及M-S测试

测定各种样品的带隙以及导带顶,价带底,费米能级的位置和大小,判断异质结的类型以及半导体是否具有热力学上的产氢或者产氧能力。

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

图1. 带边的测定: (a-d)原始BiOBr纳米片的UPS光谱,b) CFs, c)平行结和d)垂直结。(e) Uv-DRS光谱。(f)带隙图。(g) Mott-Schottky测试。(h)带边模型图

 

2. XPS测试

分析样品中各元素组成及其化学态,并判断缺陷存在及其类型,并根据催化结果控制CVD实验参数,设计最合适的实验参数。

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

图2. 平行结和垂直结XPS测试结果

 

3.I-T测试,EIS测试,PL测试以及瞬态PL测试

直观判断各样品光生载流子的寿命。

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

图3. 平行和垂直结的光催化性质:(a)I-T测试。(b) EIS频谱。(c) PL谱。(d)时间分辨发光光谱。

 

4. 亲水与疏水型碳纤维的更换测试

确定产氢的活性位点,验证肖特基结的形成。 


ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

图4. 平行和垂直结更换亲疏水类型碳纤维前后产氢速率对比

 

5.KPFM测试

直观判断光生载流子的转移与富集过程,分析光催化机理。

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

图5. KPFM测试图,黑色箭头方向为扫描方向,蓝色虚线处为光照开始时间点

 

【结论】

单独的BiOBr纳米片的H2生成速率几乎为0。构建BiOBr/C肖特基结后,在可见光下H2的生成速率大大提高。其中,平行结的H2生成速率高达2850 μmol h-1g-1,是垂直结的18倍左右。此外,平行结还表现出良好的全解水性能。H2和O2生成速率分别为240 μmol h-1g-1和110 μmol h-1g-1。在平行结中,BiOBr纳米片的(001)面包覆在CFs上,(001)面的OVs捕获光生电子可以直接转移到CFs上参与H2还原反应,拥有更高的载流子分离效率,因而具有更优异的 H2生成速率和全解水特性。然而,在垂直结中,在BiOBr纳米片的(001)面被OVs捕获的光生电子沿着(001)面传输,跨越空穴富集的纳米片边缘再转移到CFs中,导致更长的迁移距离和更高的光生载流子复合。由此可见,设计BiOBr纳米片形貌,构筑合理的BiOBr催化体系,可有效降低光生载流子的复合,进而提高 BiOBr光解水制氢效率。

 

Xiaoqi Zheng, Liping Feng*, Yewei Dou, Huitian Guo, Yincui Liang, Gangquan Li, Jiongjie He, Pengfei Liu, and Jun He*, High Carrier Separation Efficiency in Morphology-Controlled BiOBr/C Schottky Junctions for Photocatalytic Overall Water Splitting, ACS Nano, 2021, https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02884

 

作者简介:

冯丽萍,西北工业大学材料学院教授,博士生导师。研究方向包括新型纳米薄膜材料的制备,半导体光电器件的设计及制备,光电催化研究及清洁能源材料的制备,计算机模拟计算及材料性质预测等方面。近年来,Nature CommunicationsAdvanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science等国际重要期刊上发表SCI收录论文130余篇。授权及公开国家发明专利10余项。目前担任NanotechnologySensors等国际学术期刊编委。兼任江苏省海门市金轮科创股份有限公司科技副总。非常欢迎具有材料学、物理学、半导体学、化学、光电子学等相关背景的学生加入我们的研究团队。


分子工程策略实现锂电负极表面人工SEI的构建

2021-06-09

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

郑州大学臧双全教授:具有形貌可控COF外壳的MOF@COF复合材料用于光催化级联反应

2021-08-18

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

崔屹:超薄锂负极!锂金属软包电池寿命延长9倍!

2021-05-21

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

超快锌离子传导的人造SEI膜助力稳定可充锌-锰电池

2021-04-12

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

王戈、杨绍贵、储伟、梁鑫、王帅、胡文彬、宋春山、曾光明教授等催化研究最新成果速览

2021-01-06

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

今日Nat. Mater.再关注这位全能型选手!既导离子又导电子的钙钛矿

2020-12-22

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

骆静利、陆安慧、刘斌、李辉、付宏刚、王磊、路建美教授等催化研究最新成果速览

2020-11-25

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

施剑林、胡良兵、黄昱、张涛、李玉良、成会明、唐智勇、向中华教授等催化研究最新成果速览

2020-10-30

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

广东石油化工学院CJCE:磷掺杂g-C3N4纳米片的可控制备及光催化制氢性能评价

2020-07-25

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

构筑MoS2@α-Fe2O3协同异质核壳结构应用高性能纤维状水系锂离子电容器

2020-07-11

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

异质结纳米笼助力锂硫电池超长稳定循环

2020-05-24

ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性


ACS Nano:BiOBr/C异质结形貌调控实现高载流子分离及传输特性

本文由能源学人编辑liuqiwan发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/57178.html

参考文献: