Pembangkitan Hidrogen Fotokatalitik Bebas Logam Mulia dengan Titik Kuantum Cd0.5Zn0.5S pada Nanosheet Porous Ni2P

Abstrak

Kami melaporkan fotokatalis hemat biaya dan bebas logam mulia yang terdiri dari titik kuantum (QD) Cd0.5Zn0.5S berukuran 7 nm yang ditangkar secara merata pada nanosheet porous Ni2P berukuran 15–30 nm. Kerangka Ni2P dengan luas permukaan tinggi memfasilitasi pemisahan muatan yang efisien dan menyediakan situs aktif yang banyak untuk reaksi evolusi hidrogen (HER). Kinerja optimal diperoleh pada 1,5 wt % Ni2P, menghasilkan laju produksi hidrogen sebesar 43,3 µM h–1 mg–1 dan efisiensi matahari-ke-hidrogen (STH) sebesar 1,5 %. Studi sistematis sifat optik, fotoluminescensi, dan elektrokimia, didukung oleh teori fungsi densitas, mengungkapkan bahwa Ni2P meningkatkan transfer elektron, menekan rekombinasi, dan menyediakan situs katalitik, sementara Ni2P berlebihan menutupi penyerapan cahaya. Strategi ini menawarkan jalur yang dapat diskala untuk fotokatalis bebas logam mulia dengan efisiensi tinggi.

Latar Belakang

Pembangkitan hidrogen fotokatalitik telah muncul sebagai jalur yang menjanjikan untuk energi berkelanjutan, dengan materi Cd_xZn_{1–x}S yang mendapat perhatian karena jarak energi sempit dan aktivitas cahaya terlihat. Kokatalis tradisional seperti Pt, Co‑Pt, dan Au secara efektif meningkatkan HER tetapi menimbulkan biaya tinggi, yang membatasi adopsi industri. Alternatif non-mulia—alotrop karbon, fosfida, dan sulfida—telah menunjukkan janji; Ni2P, khususnya, telah berhasil diintegrasikan dengan nanowai/batang CdS, namun penggunaan titik kuantum (QD) menawarkan luas permukaan yang lebih unggul dan struktur jarak energi yang dapat diatur. Oleh karena itu, kami mengeksplorasi heterostruktur terbalik di mana QD Cd0.5Zn0.5S dimuat pada array nanosheet Ni2P untuk menggabungkan secara sinergis luas permukaan tinggi dengan pemisahan muatan yang efisien.

Metode/Eksperimen

Sintesis Ni2P

Precursor Ni(OH)2·xH2O dikalsinasi pada 500 °C ke dalam kehadiran NaH2PO2 untuk menghasilkan serbuk Ni2P hitam.

Sintesis Nanokomposit Ni2P‑Cd0.5Zn0.5S

Ni2P dispersi dalam etanol dan dicampur dengan precursor ZnCl2/CdCl2 dalam etilena glikol. Setelah reflux pada 180 °C, QD Cd0.5Zn0.5S terbentuk pada Ni2P. Konten Ni2P (0,5–5 wt %) diubah dengan menyesuaikan volume suspensi Ni2P. QD Cd0.5Zn0.5S murni disiapkan tanpa Ni2P untuk perbandingan.

Karakterisasi

SEM, TEM, HRTEM, dan EDX memetakan morfologi dan komposisi. XRD mengonfirmasi fasa Ni2P heksagonal dan Cd0.5Zn0.5S kubik. XPS memverifikasi status unsur. Spektroskopi UV–Vis mengukur penyerapan optik; PL menilai rekombinasi muatan. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dan volametri sisan linear (LSV) mengevaluasi transfer muatan dan aktivitas HER.

Evolusi Hidrogen Fotokatalitik

Fotokatalis (1–100 mg) dispersi dalam larutan Na2S/Na2SO3 dan diinjak dengan lampu Xe 300 W (λ>420 nm). Evolusi hidrogen diukur dengan GC. STH dihitung dari persamaan standar menggunakan daya insiden 300 mW cm–2.

Hasil dan Pembahasan

Morfologi dan Komposisi

Citra SEM menunjukkan nanosheet Ni2P berbentuk bunga yang terdiri dari lapisan bersilang berukuran 15–30 nm. Setelah pemuatan Cd0.5Zn0.5S, QD berukuran 7 nm secara merata menghiasi nanosheet. Pola XRD menunjukkan puncak karakteristik dari kedua Ni2P dan Cd0.5Zn0.5S; sinyal Ni2P mengecil pada pemuatan yang lebih tinggi. XPS mengonfirmasi kehadiran Ni, P, Cd, Zn, dan S tanpa kontaminan.

Kinerja Fotokatalitik

Pada 1 mg katalis, komposit 1,5 wt % Ni2P mencapai 43,3 µM h–1 mg–1, 3,4× lebih tinggi daripada Cd0.5Zn0.5S murni. Peningkatan Ni2P melebihi 3 wt % mengurangi aktivitas karena penutupan cahaya. Uji stabilitas selama 16 jam menunjukkan penurunan yang dapat diabaikan. Skala ke 100 mg dalam reaktor 150 mL menghasilkan 700 µM h–1 dan STH sebesar 1,5 %.

Analisis Optik dan Elektrokimia

Spektra UV–Vis menunjukkan tepi penyerapan 506 nm untuk Cd0.5Zn0.5S; Ni2P menyumbangkan penyerapan cahaya terlihat tambahan, meskipun Ni2P yang lebih tinggi mengurangi penyerapan <506 nm. Intensitas PL menurun dengan pemuatan Ni2P, yang menunjukkan rekombinasi yang ditekan. EIS mengungkapkan bahwa Rct menurun dari 17,3 kΩ (Cd0.5Zn0.5S) menjadi 5,5 kΩ (3 wt % Ni2P), yang menunjukkan konduktivitas yang ditingkatkan. LSV menunjukkan Ni2P memiliki overpotensi HER rendah (84 mV pada 10 mA cm–2).

Wawasan Struktur Zon Energi

Perhitungan DFT mengonfirmasi Ni2P metalik dengan tingkat Fermi pada 1,03 V vs NHE, lebih rendah daripada CBM Cd0.5Zn0.5S (−1,04 V vs NHE). Elektron mentransfer dari Cd0.5Zn0.5S ke Ni2P, yang mendorong pemisahan muatan dan HER pada situs Ni2P.

Kesimpulan

Heterostruktur Cd0.5Zn0.5S/Ni2P menghasilkan pembangkitan hidrogen fotokatalitik yang efisien dan bebas logam mulia. Dioptimalkan pada 1,5 wt % Ni2P, mencapai STH 1,5 % dan stabilitas tinggi, yang menggambarkan peran ganda Ni2P sebagai fasilitator transfer muatan dan kokatalis HER. Prinsip desain ini dapat diterapkan pada sistem fotokatalitik lainnya.