氢云报告：CdS纳米棒能显著提高热释电催化析氢活性

【背景介绍】

从本质上讲，热释电体是压电材料的一个分支。不同纤锌矿型热释电材料如CdS、CdSe、ZnS、GaN等均表现出较强的热释电效应并伴随着明显的压电性能。然而，在热释电诱导质子还原制氢过程中热释电效应的直接证据较少。对于CdS，空穴传输动力学已成为热释电催化析氢过程中的限速步骤，这与在光催化分解水中面临的问题类似。虽然加速空穴转移动力学是实现超快电荷分离的必要条件，但迄今为止，还没有关于有机分子作为助催化剂捕获空穴的热释电催化制氢的报道。因此，寻找一种具有强空穴捕获能力的分子助催化剂，对于通过获取环境冷热能来实现质子还原制氢是至关重要的。

【成果简介】

近日，兰州大学丁勇教授、中国科学院大连化学物理研究所李灿院士（共同通讯作者）合作报道了有机分子2-巯基苯并咪唑（2MBI）修饰的CdS纳米棒能显著提高热释电催化析氢活性。作者以2MBI作为分子助催化剂，改善了CdS的热释电性能，促进了热释电诱导电荷的分离。在25～55℃的热循环下，CdS-2MBI表现出明显提升的热释电催化析氢活性，约为纯CdS产氢活性的5倍。这项工作将为热释电效应在如自然温度波动下的光催化析氢等光催化应用中开辟一个新的方向。相关成果以“PyroelectriceffectinCdSnanorodsdecoratedwithamolecularCo-catalystforhydrogenevolution”发表于NanoEnergy期刊上。

【图文导读】

图一

（a）CdS-2MBI的制备工艺；

（b）CdS、CdS-2MBI和2MBI的拉曼光谱；

（c）CdS和CdS-2MBI的紫外-可见光吸收光谱；

（d）2MBI在CdS表面的Langmuir吸附等温线（C/θ）；

（e）CdS的HRTEM图像；

（f）CdS-2MBI的HRTEM图像；

（g）CdS-2MBI中Cd、S、C和N的元素分布图。

图二

（a-d）CdS的Cd3d（a）、S2p（b）和CdS-2MBI的Cd3d（a）、S2p（b）、C1s（c）和N1s（d）的高分辨XPS光谱；（e，f）CdS-2MBI的PFM：（e）形貌图和（f）振幅图。

图三

（a，b）升温速率为0.03℃/s时CdS和CdS-2MBI的热释电电流；

（c，d）升温速率分别为0和1℃/min时CdS和CdS-2MBI的EISNyquist图。

图四

（a）25～55℃温度范围内的冷-热热循环温度曲线；

（b）CdS和CdS-2MBI的热释电催化制氢（T：25℃-55℃）；

（c）CdS-2MBI的热释电催化制氢（T：25℃-70℃）；（d）TiO2和红磷的热释电催化析氢；

（e）CdS和CdS-2MBI在0.05mW/m2光强下的析氢过程；

（f）25℃下，CdS和CdS-2MBI在0.05mW/cm2光强下的析氢性能。

图五

（a）CdS纳米棒催化剂的能级图和2MBI的HOMO能级示意图；

（b）热释电催化析氢原理图。

【小结】

综上所述，作者发现用分子助催化剂2MBI修饰CdS纳米棒可以极大地促进热释电催化质子还原为H2。作者采用简单的油浴法制备了2-巯基苯并咪唑（2MBI）修饰的六方相CdS（CdS-2MBI）。2MBI基于其优良的键合特性和较强的空穴接收能力，可以放大CdS的热释电响应，增强热释电诱导电荷的分离，最终产生较高的热释电催化析氢活性。研究结果表明，热释电材料CdS纳米棒与分子助催化剂2MBI结合，使热释电电荷有效地从CdS迁移到分子助催化剂上制氢。作者认为，2MBI分子助催化剂在热释电催化反应中起着至关重要的作用，由于2MBI的HOMO能级与CdS的VB能级具有良好的匹配关系，使得热释电电荷向反应活性位点的迁移成为可能。这项工作将为热释电效应在如自然温度波动下的光催化析氢等光催化应用中开辟一个新的方向。