Mater. Today Phys. | 拓扑绝缘体Bi2Te3和氧化石墨烯协同增强光热效应和光催化析氢活性

研究背景

全球能源危机和日益严重的环境污染问题引起了广泛关注。目前使用的电力和化石能源是人工能源，需要人工转换和输入才能最终使用。因此，作为清洁能源的氢能，因其高能量密度和无二次污染，成为人类可持续发展的关键。光驱动的催化分解水制氢是一种典型的环保且无需人工能量输入的催化技术，有望解决能源困境和缓解严重的环境污染问题。然而，光催化制氢的研究因光利用和半导体光腐蚀的限制而遇到技术瓶颈。光热催化，即利用光转换的热能驱动热催化，因此受到大量关注。

光热材料是太阳能转换热应用的关键。研究表明，多孔非晶态和层状黑色光热材料在光催化制氢反应中增强了太阳能转换的热能。具有独特电子结构的窄带隙二碲化铋（Bi₂Te₃）作为拓扑绝缘体，其电子结构有助于形成拓扑材料所需的能带翻转，并显著加速电子转移，提高电子转移效率。此外，石墨烯氧化物（GO）作为一种具有潜在光热效应的优秀材料，其表面含有紧密堆积的含氧官能团，可组装成氢键质子的一维传输通道，表现出超离子导电性。ZnxCd_1-xS固溶体作为可见光反应光催化剂被广泛研究，但由于光激发电子和空穴在ZnxCd_1-xS中的复合速率高，以及光腐蚀现象，限制了光催化效率的进一步提高。

研究内容

在本项工作中，作者采用高导电性的Bi₂Te₃纳米片和高质子导电性的氧化石墨烯作为有效的助催化剂，协同提高Zn_0.67Cd_0.33S的可见光催化制氢性能。析氢结果表明，1.1% Bi₂Te₃@0.05% GO@Zn_0.67Cd_0.33S异质结具有较高的光催化产氢性能（11.52 mmol/h/g），是纯Zn_0.67Cd_0.33S的12.9倍。在不冷却的情况下，异质结的产氢速率高达71.79 mmol/h/g。一方面，Bi₂Te₃和GO作为光热材料增强了Zn_0.67Cd_0.33S的可见光吸收，同时也协同增强了光热效应。另一方面，Zn_0.67Cd_0.33S与Bi₂T_e3组分之间存在强大的内部电场，极大且有效地促进了光生载流子的空间分离。结合原位XPS、VB-XPS和UPS，提出并讨论了Bi₂Te₃@Zn_0.67Cd_0.33S异质结光催化过程的可能机理。本研究为开发新型光热转化可见光催化剂提供了新的思路。

图文导读

图1. (a) Bi₂Te₃, (b) ZCS, (c) BTGZCS的SEM图像。(d)、(e) TEM图像，(f) HRTEM图像，(g) BTGZCS的STEM和EDX元素映射图像。

图2. a, b） ZCS、BT、BTZCS、BTGZCS和ZCSG的XRD谱图和(c) UV-Vis DRS谱图。(d)计算的ZCS带隙。

图3. （a、b） ZCS、BT、BTZCS、BTGZCS和ZCSG的拉曼光谱和（c、d） FTIR光谱。

图4. （a, b） Zn 2p, (c, d) Cd 3d, (e, f) S 2p, (g, h) Bi 4f和（i, j） BTZCS和BTGZCS的三维XPS光谱。

图5. (a)不同样品的光催化析氢活性和(b)相应的析氢速率的比较。(c) BTGZCS的循环性能。(d)光照射期间温度随时间的变化；(e)不同样品的红外热图像。(f)温度对ZCS、BTZCS和BTGZCS析氢速率的影响。

图6. (a)不同催化剂的PL谱，(b) TRPL衰减谱，(c)瞬态光电流响应谱（I-t）， (d) Nyquist图（EIS）。

图7. (a) ZCS和(b) BT的莫特-肖特基图。

图8. (a) ZCS和(b) BT的UPS光谱，(c) ZCS的VB-XPS光谱，(d) BTZCS的波段结构。

图9. (a) Bi2Te3与Zn0.67Cd0.33S接触前的能带结构。(b) Bi2Te3与Zn0.67Cd0.33S在黑暗中接触后的电子转移。(c)光照下异质结的光生电荷转移。

结论与展望

综上所述，作者通过水热法成功构建了Bi₂Te₃@GO@Zn_0.67Cd_0.33S异质结，形成了一种新型的光热耦合催化剂，用于高效的光催化析氢。最佳的1.1 wt% Bi₂Te₃@0.05% GO@Zn_0.67Cd_0.33S异质结在可见光照射下的析氢速率为11.52 mmol/g/h，是纯Zn_0.67Cd_0.33S的12.9倍。在不降温的情况下，产氢速率达到71.79 mmol/h/g，初步验证了光热效应的可行性。性能的提高是由于Zn_0.67Cd_0.33S和Bi₂Te₃之间形成了一个强大的内置电场，极大地促进了有效的电荷分离。相应的，Bi₂Te₃和氧化石墨烯的加入协同拓宽了催化剂的可见光吸收范围，增强了催化剂的光热效应。研究结果为合理设计拓扑绝缘体共催化剂和开发新型可见光响应光热催化剂提供了有价值的新见解。

参考文献：

J. Pan, C. Zhao, D. Wang, J. Cao, B. Zhang, D. Liu, S. Liu, Z. Zeng, T. Chen, G. Liu, S. Jiao, Z. Xu, X. Fang, L. Zhao, J. Wang, Topological insulator Bi₂Te₃ and graphene oxide synergistically enhance the photothermal effect and photocatalytic hydrogen evolution activity. Materials Today Physics 44, 101409 (2024).

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101409