Peningkatan Evolusi Hidrogen Fotokatalitik dengan Memuat QD Cd0.5Zn0.5S ke Ni2P Porous Nanosheets

Abstrak

Ni₂ P telah didekorasi pada kawat nano atau batang nano CdS untuk fotokatalitik yang efisien H₂ produksi, sedangkan luas permukaan spesifik tetap terbatas karena ukurannya yang besar. Di sini, komposit dari Cd_0.5 Zn_0,5 S titik kuantum (QD) pada Ni tipis₂ Lembaran nano berpori P dengan luas permukaan spesifik tinggi dibuat untuk fotokatalitik H₂ bebas logam mulia generasi. Ni yang keropos₂ P nanosheets, yang dibentuk oleh interkoneksi Ni berukuran 15–30 nm₂ P nanopartikel, memungkinkan pemuatan seragam Cd berukuran 7 nm_0,5 Zn_0,5 S QD dan kepadatan pemuatan dapat dikontrol. Dengan menyetel konten Ni₂ P, H₂ tingkat generasi 43,3 μM j^− 1 (1 mg fotokatalis) dan 700 μM j^− 1 (100 mg fotokatalis) dan efisiensi solar hingga hidrogen sebesar 1,5% dicapai untuk Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S komposit. Efek Ni₂ Kandungan P pada penyerapan cahaya, fotoluminesensi, dan sifat elektrokimia komposit dipelajari secara sistematis. Bersama-sama dengan perhitungan struktur pita berdasarkan teori fungsi kerapatan, promosi Ni₂ P dalam transfer muatan dan aktivitas HER bersama dengan efek bayangan pada penyerapan cahaya terungkap. Strategi seperti itu dapat diterapkan pada fotokatalis lain menuju pembangkitan hidrogen surya yang efisien.

Latar Belakang

Sebagai strategi yang efisien untuk menghasilkan H₂ dengan memanfaatkan energi matahari, produksi hidrogen fotokatalitik telah menarik perhatian luas sejak TiO₂ dilaporkan sebagai fotokatalis pada tahun 1972 [1]. Dibandingkan dengan TiO₂ , Cd_x Zn_1−x S menunjukkan aktivitas katalitik yang digerakkan oleh cahaya tampak yang sangat baik karena celah pita yang lebih sempit dan stabilitas fotokimia yang baik. H₂ tingkat produksi setinggi 1097 μM j^− 1 g^− 1 telah dicapai dengan menggunakan Cd_0.5 Zn_0,5 S sebagai fotokatalis [2], yang komposisinya telah terbukti paling optimum untuk sifat fotokatalitik. Untuk mengurangi rekombinasi pembawa dan pemisahan pembawa yang cepat untuk reaksi evolusi hidrogen (HER), logam mulia seperti Pt, Co-Pt, Ru, Au, dan Pd telah digunakan sebagai ko-katalis [3,4,5,6,7, 8]. Misalnya, ketika dikatalisis bersama dengan Co-Pt, fotokatalitik H₂ tingkat generasi Cd_0,5 Zn_0,5 S kuantum dot (QDs) dapat ditingkatkan sebesar 4,7 kali lipat [4]. H₂ produksi setinggi ~ 6.3 mM h^− 1 mg^− 1 dicapai ketika CdZnS dikombinasikan dengan Au [9]. Namun, tingginya biaya logam mulia sangat membatasi aplikasi masa depan dalam skala besar, yang membuat ko-katalis non-mulia menjadi kandidat yang baik dari yang berharga untuk fotokatalitik H₂ generasi.

Di antara berbagai non-mulia co-katalis termasuk keluarga karbon (graphene, karbon nanotube, oksida grapheme tereduksi, nanodots karbon) [10,11,12,13,14,15], fosfida [16,17,18,19,20 ,21,22], dan TiO₂ [23, 24] dan sulfida [25,26,27,28,29,30,31,32], Ni₂ P dan CoP telah dikomposit secara ekstensif dengan kawat nano CdS dan/atau nanorod untuk fotokatalitik H₂ yang efisien produksi [16,17,18, 33,34,35,36]. Dalam komposit ini, CdS satu dimensi (1D) selalu dihiasi oleh nanopartikel atau lembaran nano phosphides yang lebih kecil dengan aktivitas HER, dan rekombinasi pembawa dapat sangat dikurangi karena panjang difusi pembawa yang panjang dari struktur 1D dan hetero-nya yang terdefinisi dengan baik. antarmuka dengan co-katalis. Mempertimbangkan keuntungan dari QD seperti energi surya yang tinggi untuk efisiensi konversi bahan bakar, biaya fabrikasi rendah [37, 38], dan HER terutama terjadi pada antarmuka co-katalis/elektrolit, adalah rasional untuk membangun struktur hetero-nano dengan banyak permukaan spesifik. area situs aktif sambil tetap mempertahankan pemisahan pembawa cepat. Dalam hal ini, struktur terbalik dengan fotokatalis dimuat ke ko-katalis dilaporkan untuk fotokatalitik H₂ yang efisien. generasi [10, 13]. Misalnya, tingkat pembangkitan hidrogen sebesar 2,08 dan ~ 33,4 mM h^− 1 mg^− 1 dibuat dengan memuat Cd_0.5 Zn_0,5 S QD ke karbon seperti bawang dan karbon nitrida grafit 2D (g-C₃ N₄ ) pita mikro, masing-masing. Ini membuatnya sangat diharapkan untuk fotokatalitik H₂ generasi jika struktur nano fosfida didekorasi dengan Cd_0.5 Zn_0,5 S QD. Namun, struktur terbalik seperti itu jarang dilaporkan hingga sekarang.

Di sini, struktur kebalikan dari Cd_0.5 Zn_0,5 S QD pada Ni₂ Array nanosheet P disintesis dengan metode larutan termal untuk meningkatkan fotokatalitik H₂ generasi. Tingkat pembangkitan hidrogen 700 μM j^− 1 (dengan 100 mg katalis pengumpanan) dan efisiensi solar menjadi hidrogen (STH) sebesar 1,5% dicapai pada 1,5 berat Ni₂ P. Pengaruh Ni₂ P pada H₂ tingkat generasi, optik, dan sifat elektrokimia komposit dipelajari secara sistematis. Selain itu, struktur pita Ni₂ P dihitung berdasarkan teori fungsi densitas, bersama dengan properti foto-elektrokimia, peran detail Ni₂ P untuk H₂ generasi terungkap.

Metode/eksperimental

Sintesis Ko-katalis

Pertama, 20 mL air deionisasi yang mengandung 2,61 g nikel nitrat dan 2,52 g heksametilenatetramina dipindahkan ke autoklaf Teflon dan dipanaskan pada suhu 120 °C selama 10 jam untuk pembentukan NiOOH. Setelah didinginkan hingga suhu kamar, produk NiOOH dicuci dengan alkohol dan air deionisasi melalui sentrifugasi pada 2000 rpm selama tiga kali dan setiap kali selama 5 menit. Kemudian, campuran 0,22 g NiOOH dan 0,44 g natrium hipofosfit dimasukkan ke dalam tube furnace dan dipanaskan pada suhu 500 °C selama 2 jam untuk fosforisasi. Saat didinginkan secara alami ke suhu kamar, Ni hitam₂ Serbuk P diperoleh dan dikumpulkan.

Sintesis Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S Nanokomposit

Untuk mempersiapkan Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S komposit, 100 mg Ni₂ Serbuk P didispersikan ke dalam 20 mL etanol melalui pemrosesan ultrasonik selama 1 jam. Kemudian x mL (x = 0.48, 0.96, 1.4, 3, 5) Ni yang tersebar dengan baik₂ Larutan P ditambahkan ke dalam 20 mL larutan etilen glikol yang mengandung 272,6 mg ZnCl₂ dan 456,7 mg CdCl₂ 2,5J₂ O, dan dipanaskan hingga 170 °C dengan pengadukan terus menerus di bawah perlindungan nitrogen. Setelah penambahan 20 mL larutan etilen glikol melarutkan 960,7 mg Na₂ S∙9H₂ O, larutan dipanaskan hingga 180 °C dan ditahan selama 1 jam untuk pertumbuhan Cd_0,5 Zn_0,5 S on Ni₂ P. Akhirnya, sampel dicuci dengan alkohol dan air deionisasi masing-masing selama tiga kali. Dengan menimbang xNi akhir₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S komposit, persen berat (wt%) ditentukan menjadi 0,5 (x = 0.48), 1 (x = 0,96), 1,5 (x = 1.4), 3 (x = 3), 5 (x = 5). Sebagai perbandingan, Cd murni_0,5 Zn_0,5 S QD disintesis melalui metode yang sama kecuali penambahan Ni₂ P.

Karakterisasi Morfologi, Struktur, dan Sifat Optik

Morfologi, struktur mikro, dan komposisi dikarakterisasi dengan mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FESEM, JSM-7100F, JEOL) dan mikroskop elektron transmisi (TEM, FEI Tecnai 20) yang dilengkapi dengan pemindaian mikroskop elektron transmisi (STEM) dan sinar-X dispersif energi. spektroskopi (EDX). Pola difraksi sinar-X serbuk (XRD) direkam pada difraktometer sinar-X Bruker AXS D8 dengan Cu Kα (λ = 1.54056 Å). Komposisi unsur, kimia, dan keadaan valensi dipelajari dengan pengukuran (pita valensi) fotoelektron spektroskopi (XPS) sinar-X (XPS, Escalab 250Xi) dengan radiasi Al Kα. Penyerapan UV-Vis diselidiki dengan spektrofotometer UV-Vis (UV-3600, Shimadzu) yang dilengkapi dengan perangkat bola terintegrasi, dan rasio berat/volume sampel terhadap air deionisasi dipertahankan pada 1 mg/10 mL. Pengukuran photoluminescence (PL) dilakukan pada spektrofotometer 7000 FL (Hitachi, F7000) dengan panjang gelombang eksitasi 400 nm. Sebelum pengukuran PL, Cd murni_0,5 Zn_0,5 S QD dan komposit terdispersi dengan baik dalam etanol, dan konsentrasi Cd_0,5 Zn_0,5 S dipertahankan pada 0,5 mg/mL untuk semua sampel.

Pengukuran Linear Sweep Voltametry (LSV) dan Electrochemical Impedance Spectra (EIS)

Pengukuran LSV dilakukan dalam elektrolit NaOH 1 M (pH = 14) di stasiun kerja elektrokimia (CHI 760E, Instrumen CH) dengan konfigurasi tiga elektroda yang khas. Foil Pt dan Ag/AgCl jenuh masing-masing digunakan sebagai elektroda lawan dan elektroda referensi. Potensial diubah menjadi elektroda hidrogen reversibel vs (RHE) dengan persamaan E(vs RHE) = E(vs Ag/AgCl) + E_Ag/AgCl (ref) + 0.0591 V × pH, di mana (E_Ag/AgCl (ref) = 0,1976 V vs NHE (elektroda hidrogen normal) pada 25 °C) [39]. Pengukuran spektrum impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan dalam kegelapan pada 0,5 V vs RHE dengan amplitudo 5 mV dan elektrolit 0,35 M Na₂ JADI₃ dan 0,25 M Na₂ S larutan berair dengan menggunakan sistem tiga elektroda yang serupa. Elektroda kerja dibuat melalui penyebaran produk ~ 2 mg (terdispersi dalam 5 mL etanol) lebih dari 4 cm² area substrat FTO dan dikeringkan pada suhu 70 °C selama 5 jam. Rentang frekuensi dijaga dalam 0,1 Hz ~ 100 kHz, dan spektrum dianalisis dengan program Z-View (Scribner Associates Inc.).

Fotokatalitik (PC) H₂ Generasi

Sebelum H₂ produksi, fotokatalis dengan massa yang berbeda (1, 5, dan 10 mg) didispersikan dalam reaktor kuarsa tertutup (volume 40 mL, 5 cm × 5 cm × 1,6 cm) dengan 15 mL 0,75 M Na₂ S dan 1,05 M Na₂ JADI₃ larutan air. Setelah pelepasan gas selama 30 menit dengan nitrogen, eksperimen fotokatalitik dilakukan di bawah iradiasi lampu 300 W Xe (PLS-SXE300/300UV, Perfect Light) dengan filter pemutus 420 nm dan daya insiden 300 mW/cm ² . Solusi katalitik terus diaduk selama seluruh percobaan PC. Dalam setiap jam, produksi gas 1 mL dikumpulkan dan dianalisis dengan kromatografi gas (GC-2018, Shimadzu, Jepang, TCD). Percobaan stabilitas bersepeda lebih lanjut dilakukan di bawah kondisi yang sama. Eksperimen paralel dengan dosis makan fotokalist dari 15 hingga 100 mg dilakukan dalam 100 mL elektrolit Na₂ S dan Na₂ JADI₃ dalam reaktor yang lebih besar (volume 150 mL) di bawah penerangan yang sama. Efisiensi solar ke hidrogen (STH) dihitung dengan persamaan yang mengalir:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}\mathrm{STH}\ \left(\%\right)=\kern0.5em \frac{\mathrm{energy}\ \mathrm{of}\ \mathrm{ dihasilkan}\ {\mathrm{H}}_2}{\mathrm{light}\ \mathrm{energi}\ \mathrm{onto}\ \mathrm{the}\ \mathrm{permukaan}\ \mathrm{of}\ \ mathrm{solusi}}\times 100\%\\ {}\kern6.5em =\frac{237\mathrm{KJ}/\mathrm{mol}\kern0.5em \times \mathrm{mol}\ \mathrm{of }\ {\mathrm{H}}_2\ \mathrm{producted}}{\mathrm{area}\ \mathrm{of}\ \mathrm{solution}\ \mathrm{been}\ \mathrm{irradiated}\times 300 \mathrm{mW}/{\mathrm{cm}}^2}\times 100\%\end{array}} $$

Metode Komputasi

Energi dan sifat elektronik dari Ni₂ P dihitung dengan menggunakan metode density functional theory (DFT). Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) [40] diadopsi selama perhitungan dengan proyektor augmented wave pseudo potentials (PAW) [41], dan tipe Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) generalized gradient approximation (GGA) [42 ] metode fungsional pertukaran-korelasi. Zona Brillouin dengan kisi titik 9 × 9 × 9 Monkhorst−Pack point [43], pemutusan energi kinetik dengan 450 eV, dan kriteria energi 10^− 6 eV diterapkan untuk optimasi geometris hingga gaya sisa dikonvergensi menjadi kurang dari 0,01 eV/Å. Model massal Ni heksagonal₂ P dengan simetri P-62M diperhitungkan. Setelah struktur sepenuhnya dioptimalkan, parameter kisi Ni₂ P (a = b = 5.86918 Å, dan c = 3.37027 Å) dapat diperoleh, yang sangat konsisten dengan nilai yang dilaporkan [44].

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a, b menunjukkan morfologi Ni₂ P sebelum dan sesudah komposisi dengan Cd_0.5 Zn_0,5 S QD (Ni₂ P berat%:1,5%). Ni murni₂ P memiliki morfologi seperti bunga yang terdiri dari banyak nanosheet bersilangan dengan ketebalan kurang dari 20 nm dan ukuran planar dari beberapa puluh nanometer hingga mikrometer. Dari pola XRD Ni₂ pure murni P pada Gambar 1c, puncak difraksi bidang (111), (201), (210), dan (300) dapat diamati dengan jelas masing-masing pada 40,7°, 44,6°, 47,4°, dan 54,2°, yang sesuai dengan heksagonal Ni₂ P (JCPDF no. 89-2742). Setelah dimuat oleh Cd_0.5 Zn_0,5 S QD, permukaan nanosheet menjadi agak kasar, dan banyak nanopartikel dengan ukuran kurang dari 10 nm dapat dibedakan pada Ni₂ yang murni kerangka P. Pada saat yang sama, puncak refraksi XRD dari Cd_0,5 Zn_0,5 S (JCPDF no. 89-2943) (100), (002), (101), dan (110) dapat ditemukan dengan jelas pada masing-masing 26,0°, 27,8°, 29,6°, dan 45,9° [6, 45] , sedangkan sinyal difraksi Ni₂ P sangat tertekan karena rasio bobot rendah (1,5 wt%) Ni₂ P ke Cd_0,5 Zn_0,5 S. Koeksistensi Cd_0.5 Zn_0,5 S dan Ni₂ P ditunjukkan oleh spektrometer fotoelektron sinar-X (XPS) halus dan spektrum survei pada Gambar 1d-f. Kecuali sinyal oksigen dan karbon yang timbul dari penyerapan udara, hanya Ni, P, Cd, Zn, dan S yang dapat dideteksi, yang mengesampingkan kemungkinan pengotor lainnya. Puncak pada 855,5 dan 873,9 eV dapat ditetapkan ke Ni 2p_3/2 dan 2p_1/2 , masing-masing, dan puncak P 2p_3/2 dapat ditemukan pada 133,6 eV [16, 46]. Secara bersamaan, puncak ganda Zn 2p, Cd 3d, dan S 2p menunjukkan Zn bivalen²⁺ , Cd²⁺ , dan S²⁻ dari Cd_0,5 Zn_0,5 S QD [3, 34, 47]. Singkatnya, pertumbuhan Cd_0,5 Zn_0,5 S on Ni₂ P nanosheets telah dibentuk untuk pembentukan Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S nanokomposit.

Morfologi, sifat kristal, dan keadaan kimia Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 Komposit S (1,5 wt% Ni₂ P). a–b Gambar SEM pembesaran rendah dan tinggi (inset) Ni₂ P sebelum dan sesudah loading Cd_0.5 Zn_0,5 S, c Pola XRD Ni₂ P dan Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S, d–f XPS halus dan spektrum survei Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S komposit

Struktur mikro dan komposisi unsur sampel diselidiki lebih lanjut dengan teknik terkait TEM. Dari gambar TEM perbesaran yang berbeda dari Ni murni₂ P (Gbr. 2a, b), nanosheet berpori dan terdiri dari nanopartikel tidak beraturan yang berikatan silang dengan ukuran ~ 15–30 nm. Pola difraksi elektron area yang dipilih (SAED) pada Gambar. 2c menunjukkan cincin difraksi Ni₂ P (111), (201), (210), dan (300) pesawat. Sinyal difraksi dari bidang indeks tinggi seperti (222), (402), dan (420) juga dapat dideteksi karena hamburan multi yang kuat dari elektron berenergi tinggi. Setelah digabungkan dengan Cd_0.5 Zn_0,5 S, Ni₂ Nanosheet P ditutupi oleh banyak nanopartikel yang lebih kecil dengan ukuran ~ 7 nm (Gbr. 2d). Spektrum EDX (inset, Gbr. 2f) dengan jelas menunjukkan sinyal Ni, P, Cd, Zn, dan S, yang menunjukkan koeksistensi Ni₂ P dan Cd_0,5 Zn_0,5 S. Dari pola SAED (Gbr. 2f), cincin difraksi kuat Cd_0,5 Zn_0,5 Bidang S (002), (110), dan (200) (dilambangkan dengan garis putus-putus berwarna kuning) dapat dibedakan dengan jelas bersama dengan sinyal lemah Ni₂ P (300), (402), dan (420) (ditandai dengan garis putus-putus putih), menunjukkan komposisi Ni₂ yang baik P dengan QD. Terlihat bahwa Ni₂ Cincin P (300) tumpang tindih dengan Cd_0,5 Zn_0,5 S (110) dan (200) pesawat, sehingga sulit untuk dibedakan. Gambar TEM resolusi tinggi Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 Sampel S pada Gambar. 2e selanjutnya menunjukkan pinggiran kisi dengan spasi 0,34 dan 0,22 nm, yang sesuai dengan Cd_0,5 Zn_0,5 S (002) dan Ni₂ P (111) bidang kristal, masing-masing. Pemetaan EDX unsur (Gbr. 2h–l) yang diambil dari wilayah yang ditunjukkan oleh gambar medan gelap annular sudut tinggi (HAADF) (Gbr. 2g) menunjukkan bahwa Ni, P, Cd, Zn, dan S terdistribusi secara seragam di antara sampel, selanjutnya menunjukkan keberhasilan komposisi Cd_0,5 Zn_0,5 S QD dengan Ni yang keropos₂ P nanosheet.

Struktur mikro Ni₂ P dan Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S komposit. a–c dan d–f Gambar TEM perbesaran berbeda dan pola SAED Ni₂ P dan Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S, sisipan f adalah spektrum EDX, di mana garis putus-putus kuning dan putih menunjukkan Cd_0,5 Zn_0,5 S dan Ni₂ P, masing-masing. g Gambar bidang gelap annular sudut tinggi (HAADF)-STEM, dan h–l pemetaan EDX yang sesuai untuk Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S komposit

Gambar 3a menunjukkan H₂ tingkat evolusi Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S nanokomposit bervariasi dengan kandungan Ni₂ P pada dosis makan 1 mg dalam reaktor 40 mL. Cd Murni_0,5 Zn_0,5 S menunjukkan fotokatalitik H₂ tingkat evolusi 12,6 μM j^− 1 mg^− 1 , dan Ni murni₂ P menunjukkan generasi hidrogen yang dapat diabaikan. Dengan tambahan Ni₂ P, aktivitas fotokatalitik Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 Komposit S jelas telah ditingkatkan dan mencapai nilai tertinggi 43,3 μM h^− 1 mg^− 1 pada 1,5 berat Ni₂ P, hampir 3,4 kali lebih tinggi dari Cd murni_0,5 Zn_0,5 S. Penambahan Ni₂ P (≥ 3 wt%) akan mengakibatkan degradasi properti yang cepat, dan H₂ tingkat evolusi kurang dari Cd murni_0,5 Zn_0,5 S saat Ni₂ P meningkat menjadi 5% berat. Perilaku non-linier seperti itu menunjukkan bahwa terdapat Ni₂ . yang optimal Konten P, yaitu, kepadatan pemuatan yang sesuai dari Cd_0,5 Zn_0,5 S on Ni₂ P untuk sifat fotokatalitik. Pada saat yang sama, stabilitas 1,5 berat Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S dipelajari dengan tes bersepeda (Gbr. 3b). Selama empat siklus berturut-turut yang berlangsung selama 16 jam, H₂ generasi dipertahankan relatif stabil dengan degradasi yang dapat diabaikan, menunjukkan stabilitas fotokatalitik yang baik dari komposit.

Properti fotokatalitik Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S komposit. a Generasi hidrogen fotokatalitik pada berbagai berat Ni₂ P dan b uji siklus komposit dengan 1,5 berat Ni₂ P diuji dalam reaktor kecil (40 mL, 1,0 mg fotokatalis). c Laju produksi hidrogen dan solar to hydrogen efficiency (STH) pada berbagai jumlah fotokatalis. Pengujian fotokatalis dengan dosis dari 15 hingga 100 mg dilakukan dalam reaktor 150 mL, dan pengujian dengan dosis dari 1 hingga 10 mg dilakukan dalam reaktor 40 mL. d Laju pembentukan hidrogen untuk sampel komposit 1 dan 100 mg (1,5 berat Ni₂ P)

Pengaruh jumlah katalis terhadap efisiensi STH dan H₂ generasi dipelajari secara sistematis (Gbr. 3c–d) untuk 1,5 berat Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 sampel S. Dua reaktor tipikal dengan volume 40 dan 150 mL diadopsi pada kerapatan daya iluminasi yang sama. Saat diuji dalam reaktor yang lebih kecil (40 mL), baik STH maupun H₂ laju pembangkitan meningkat dengan dosis katalis dari 1 hingga 10 mg, langkah yang meningkat jauh lebih kecil daripada dosis. STH dan H₂ tingkat generasi hanya 0,45% dan 166 μM j^− 1 ketika dosis katalis meningkat menjadi 10 mg, hampir 3,8 kali lipat dari sampel 1 mg. Untuk reaktor yang lebih besar (150 mL), peningkatan yang berbeda pada STH dan H₂ generasi dapat ditemukan dengan dosis yang ditingkatkan dari 15 menjadi 100 mg, dan 1,53% STH dan 700 μM h^− 1 dari H₂ generasi dapat dicapai pada dosis 100 mg, hampir 3,1 kali dari katalis 15 mg. Mengingat cahaya datang memiliki lintasan yang lebih panjang ketika melewati reaktor yang lebih dalam, hasil tersebut menunjukkan bahwa reaktor yang lebih besar akan lebih bermanfaat untuk pemanfaatan cahaya datang. Namun, efisiensi STH akan menjadi jenuh setelah dosis ditingkatkan menjadi sekitar 100 mg, menunjukkan adanya dosis optimal untuk pemanfaatan cahaya. H₂ yang optimal tingkat generasi lebih unggul dari CdZnS QDs-2D g-C₃ N₄ pita mikro (H₂ tingkat generasi 33,4 mM j^− 1 g^− 1 ) [10], Cd_0.1 Zn_0,9 S nanopartikel-karbon nanotube (laju:1563 μM j^− 1 g^− 1 ) [11], C₃ . berstruktur sandwich N₄ /Au/CdZnS fotokatalis (kecepatan 6,15 mM j^− 1 g^− 1 ) [9], dan Zn tersensitisasi QDs CdS_1−x Cd_x S solusi padat (tingkat 2128 μM j^− 1 g^− 1 ) [48].

Untuk mengungkap mekanisme peningkatan sifat fotokatalitik dan peran detail Ni₂ P, baik sifat optik maupun elektrokimia dari Ni murni₂ P, Cd_0,5 Zn_0,5 S, dan komposit dipelajari oleh Gbr. 4. Dari spektrum serapan (Gbr. 4a), Cd murni_0,5 Zn_0,5 S menunjukkan tepi serapan pada 506 nm, sesuai dengan celah pita 2,45 eV [13, 49]. Untuk Ni murni₂ P (inset), penyerapan luas di seluruh rentang yang terlihat dapat ditemukan. Setelah komposisi, selain penyerapan dalam rentang < 506 nm, ekor yang jelas pada panjang gelombang yang terlihat > 506 nm dapat ditemukan, yang dapat dikaitkan dengan kontribusi dari Ni₂ P. Karena serapan tampak pada panjang gelombang yang lebih panjang meningkat dengan Ni₂ P, komposit menunjukkan penurunan penyerapan Cd_0,5 Zn_0,5 S (< 506 nm). Pada saat yang sama, spektrum fotoluminesensi (Gbr. 4b) menunjukkan bahwa Cd murni_0,5 Zn_0,5 S memiliki pendaran tepi pita intensif pada ~ 620 nm saat tereksitasi pada panjang gelombang 400 nm. Setelah komposisi, akan terdegradasi secara bertahap dengan penambahan Ni₂ P. Menimbang bahwa kandungan Ni₂ yang lebih tinggi P akan menginduksi lebih banyak Ni₂ P/Cd_0,5 Zn_0,5 Antarmuka S yang membantu meningkatkan transfer muatan dan menekan rekombinasi muatan, penurunan intensitas PL dapat dipahami dengan pengurangan rekombinasi pembawa dan peningkatan transfer muatan pada Ni₂ P/Cd_0,5 Zn_0,5 Antarmuka S.

Efek Ni₂ Kandungan P pada sifat optik dan elektrokimia Ni₂ P-Cd_0,5 Zn_0,5 S komposit. a Spektrum serapan UV-Vis (sisipan Ni murni₂ P), b spektrum fotoluminesensi, dan c spektrum EIS. d Kurva LSV dan spektrum EIS (inset) Ni murni₂ P

Peran efektif Ni₂ P dalam mendorong transfer muatan juga dapat dicerminkan oleh spektrum EIS tergantung pada Ni₂ Konten P (Gbr. 4c). Seperti yang ditunjukkan oleh rangkaian ekivalen (inset, Gbr. 4c), resistansi transfer muatan (Rct) pada antarmuka katalis/elektrolit dapat dievaluasi dengan radius setengah lingkaran plot Nyquist berdasarkan rangkaian ekivalen R-C. Resistansi seri ekivalen (ESR) dapat diperoleh dari perpotongan kurva dan resistansi nyata (Z '), sedangkan resistansi transfer muatan (Rct) sesuai dengan lebar setengah lingkaran yang diplot pada frekuensi yang lebih tinggi. R_CT dari Cd murni_0,5 Zn_0,5 S adalah 17.320 Ω, yang menunjukkan sifat semikonduktornya. Setelah komposisi dengan 1, 1,5, dan 3 wt% Ni₂ P, R_CT menurun secara bertahap ke 8432, 7721, dan 5473 Ω, masing-masing, menunjukkan peningkatan Ni₂ P dalam konduktivitas listrik. Memang, Ni₂ P telah dianggap sebagai elektrokatalis yang baik terhadap HER [44, 50, 51]. Dari kurva LSV Ni murni₂ P pada busa Ni ditunjukkan pada Gambar. 4d, Ni₂ P memiliki aktivitas HER yang baik dengan potensi berlebih 84 mV dan 201 mV untuk memasang rapat arus 10 dan 50 mA/cm² (tanpa koreksi iR), masing-masing. Spektrum EIS (Gbr. 4d inset) menunjukkan bahwa Ni₂ P memiliki R_CT yang sangat rendah (~ 7.3 Ω), menunjukkan karakter logam Ni₂ P. Oleh karena itu, Ni₂ P tidak hanya dapat meningkatkan konduktivitas listrik pada Cd_0,5 Zn_0,5 S/Ni₂ antarmuka P, tetapi juga menyediakan situs aktif yang efektif untuk HER, kemudian mengarah ke properti fotokatalitik komposit yang ditingkatkan.

Mengingat penambahan Ni₂ P menurunkan absorpsi pada panjang gelombang < 506 nm, perlu dibuktikan apakah absorpsi cahaya Ni₂ P dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen. Struktur pita Ni₂ P kemudian dipelajari dengan perhitungan DFT. Gambar 5a, b menyajikan model bola dan tongkat Ni₂ P dan struktur pita yang dihitung. Dari Gambar 5b, tidak ada celah pita yang dapat dideteksi, yang menunjukkan karakteristik logam Ni₂ P, yang sangat sesuai dengan hasil EIS di atas. Ini menunjukkan bahwa fotoelektron terutama dikaitkan dengan foto-eksitasi Cd_0,5 Zn_0,5 S daripada Ni₂ P. Selain itu, kadar Fermi Ni₂ P (diperoleh dari file mobil luar) terletak pada 1,03 V vs. NHE, jauh lebih rendah daripada level minimum pita konduktif (CBM) (− 1,04 V vs NHE) dari Cd_0,5 Zn_0,5 S QD [13].

Diagram pita dan pemisahan muatan dan mekanisme transfer untuk fotokatalitik H₂ evolusi. a Tampilan atas model bola dan tongkat (001) Ni₂ P. b Struktur pita yang dihitung dari Ni₂ P di mana garis putus-putus merah mewakili tingkat Fermi. c Mekanisme skema yang menggambarkan pemisahan dan transfer muatan untuk fotokatalitik H₂ generasi

Dengan demikian, mekanisme skematik ditunjukkan untuk fotokatalitik H₂ evolusi komposit dengan Gambar. 5c. Lokasi tingkat Fermi Ni₂ P membuatnya sangat menguntungkan untuk transfer elektron yang dihasilkan foto dari Cd_0,5 Zn_0,5 S sampai Ni₂ P, kemudian mendorong pemisahan elektron dan lubang terfotoeksitasi pada antarmuka, menghasilkan penurunan rekombinasi muatan. Secara bersamaan, H₂ akan berkembang secara efisien di situs aktif Ni₂ P karena aktivitas HER yang baik dan luas permukaan spesifik komposit yang besar. Peran positif Ni₂ P dalam transfer muatan dan aktivitas DIA akan mendominasi pada konten Ni₂ . yang lebih rendah P (≤ 1,5 berat). Saat konten melebihi 1,5 wt%, efek bayangan Ni₂ P dalam penyerapan cahaya akan mengatasi aspek positif, menyebabkan degradasi H₂ generasi. Properti fotokatalitik yang optimal akan dicapai pada 1,5 berat Ni₂ P saat kedua efek mencapai keseimbangan.

Kesimpulan

Struktur kebalikan dari Cd_0.5 Zn_0,5 S QD pada Ni₂ Lembaran nano berpori P dibuat untuk fotokatalitik H₂ . yang efisien produksi. Ni₂ Lembaran nano berpori P terdiri dari nanopartikel berukuran 15–30 nm yang memungkinkan pemuatan efektif Cd berukuran 7 nm_0,5 Zn_0,5 S QD. Karena pemisahan biaya dan properti transfer ditingkatkan dengan penambahan Ni₂ P dari 0 hingga 5 wt%, efek naungan kompetitif yang tidak bermanfaat untuk penyerapan cahaya Cd_0,5 Zn_0,5 S diinduksi. Fotokatalitik H₂ . yang optimal generasi 43,3 μM j^− 1 (dosis 1 mg) akan tercapai pada 1,5 berat Ni₂ P. Berdasarkan kandungan optimum, ketergantungan fotokatalitik pada pemberian dosis katalis menunjukkan bahwa efisiensi STH akan mencapai nilai tertinggi sebesar 1,5% pada dosis 100 mg. The high HER activity and band structure of Ni₂ P were revealed, confirming the effective role of Ni₂ P in prompting photocatalytic H₂ evolution dynamics from both experimental and theoretical aspects. The heterostructure of Cn_0.5 Zn_0.5 S QDs-Ni₂ P porous nanosheets can not only help to prompt the photo-excited charge separation and transfer, but also speed up the dynamics of hydrogen evolution reaction via the co-catalytic role of N_i2 P, thus enhances the photocatalytic hydrogen generation property. Such a method can be applied to other catalysts toward efficient photocatalytic property.