CdS@CDs/Pt-SAs：一种具有优异催化效率的光产氢催化剂
安长华，邱淑君等
2019-08-31
1. 通过Carbon dots原位还原铂前驱体，成功将铂单原子(SAs)锚定在超薄多孔CdS@CDs纳米片上，单个铂原子以配位数4形成稳定的Pt- S键。2. 根据理论计算，Pt单原子具有较强的捕获光生电子的能力，使CdS@CDs/Pt- SAs成为一类高效的太阳能驱动的光催化剂。3. 新型催化剂CdS@CDs/Pt-SAs对光催化制氢表现出显著的活性，其生成速率为45.5 mmolh−1 g−1，是纯CdS@CDs的133倍。半导体光催化技术可以用来解决能源与环境问题。最近，负载原子尺度的金属作为助剂可以显著增加催化剂表面活性位点，提高各种反应的催化活性和选择性。这些进展激发了研究者们对单原子光催化系统的探索，极大地提高了单原子光催化体系的性能。有鉴于此，天津理工大学安长华教授课题组采用碳点组装CdS二维纳米片主催化剂并原位还原产生Pt单原子，得到新型超薄CdS@CDs/Pt-SAs多孔纳米片。该催化剂首先通过碳量子点 (CDs) 辅助溶剂热生长的方法合成了超薄Cd(OH)2@CDs纳米片，并将其转化为多孔CdS@CDs纳米片。然后，利用CDs原位还原实现了Pt-SAs在CdS@CDs纳米片上的锚定。Pt单原子具有很强的捕获光生电子的能力，导致光催化H2的演化活性显著，其速率达到45.5 mmol h−1g−1，是CdS@CDs的133倍。该光催化产氢效率大幅提高，表现出良好的活性和稳定性，为制备高效的可持续新能源材料提供了新思路。
通过简单的水热法、离子交换和原位还原法合成CdS@CDs/Pt-SAs，实验过程如图1所示。
图2. 超薄多孔CdS@CDs/Pt-SAs纳米片的制备过程通过X-rayabsorption spectroscopy (XAS)、SEM、HRTEM及HAADF-STEM对CdS@CDs/Pt-SAs复合材料进行了表征（图2）。x射线吸收精细结构光谱表明，单原子与硫配位形成稳定的Pt-S键。球差电镜清楚地表明，与Pt原子对应的亮点(用红色圆圈标记)均匀地分散在CdS@CDs纳米薄片上。
图3.（a-c）CdS@CDs/Pt-SAs的x射线吸收光谱 (XAS), (d,e) Cd(OH)2@CDs的SEM和HRTEM图,（f-i）CdS@CDs/Pt-SAs的SEM，HAADF-STEM和EDS elemental mapping图。模拟太阳光下对CdS@CDs,CdS@CDs/Pt-NPs, CdS, CdS/Pt-NPs,与 CdS@CDs/Pt-SAs 进行光催化产氢测试。结合理论计算，CdS@CDs/Pt-SAs催化剂中Pt单原子具有很强的捕获光生电子能力，导致光催化产氢活性显著提升，速率为45.5 mmol h−1 g−1，是CdS@CDs的133倍，当Pt负载量为1.15 wt%时此催化剂具有最佳产氢性能。
图4. (a) 模拟阳光下CdS@CDs、CdS@CDs/Pt-NPs、CdS、CdS/Pt-NPs、CdS@CDs/Pt-SAs的光催化制氢性能，(b) Pt负载量对CdS@CDs光催化制氢活性的影响，(c) CdS@CDs/Pt-SAs光催化剂稳定性测试，(d)氢演化机制示意图。该工作设计了一种简单可行的方法合成高效太阳能驱动CdS@CDs/Pt-SAs纳米光催化剂。该催化剂采用CDs原位还原金属前驱体，所制得的CdS@CDs/Pt- SAs (1.15wt% Pt负载) 催化剂具有显著的催化活性, H2生成速率为45.5mmol h−1 g−1，是CdS@CDs的133倍，形成的Pt-S键使Pt单原子非常稳定，重复使用20 h而不失活性。本工作为制备多种类型的金属单原子辅助光催化剂、电催化剂等催化各种有用反应提供了一条新的途径。S. Qiu, Y. Shen, G. Wei,S. Yao, W. Xi, M. Shu, R. Si, M. Zhang, J. Zhu, C. An, Carbon dots decoratedultrathin CdS nanosheets enabling in-situ anchored Pt single atoms: A highly efficient solar-drivenphotocatalyst for hydrogen evolution, Applied Catalysis B: Environmental, 259(2019) 118036.DOI:10.1016/j.apcatb.2019.118036https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.118036
