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高效光催化产氢材料设计：电纺ZnO纳米纤维通过超声化学沉积构筑CdS/ZnO异质结构，实现13.4 mmol g?1 h?1的氢产率，较纯CdS提升三倍以上，并展现出优异循环稳定性与电荷分离效率。
阿德奈尔多·米兰达·莫塔（Adnaildo Miranda Mota）|拉伊安·马塞多·多斯桑托斯（Raiane Macedo dos Santos）|若泽·费利佩·多斯桑托斯（José Felipe dos Santos）|马库斯·维尼修斯·桑托斯·达席尔瓦（Marcus Vinicius Santos da Silva）|卢伊莎·A·梅尔坎特（Luiza A. Mercante）|卢西亚娜·阿尔梅达·席尔瓦（Luciana Almeida Silva）
巴西巴伊亚联邦大学（Universidade Federal da Bahia）化学研究所，翁迪纳校区（Campus de Ondina），邮编40170-290，萨尔瓦多（Salvador BA）
摘要
太阳能驱动的氢生产技术的进步在很大程度上依赖于光催化剂的设计，这些催化剂能够最大限度地利用可见光同时最小化电荷复合。尽管基于半导体的光催化技术取得了显著进展，但实现低CdS负载下的高效率仍然具有挑战性。在这里，我们提出了一种结合电纺（electrospinning）和声化学沉积（sonochemical deposition）的混合策略，以制备出具有增强活性的高效CdS/ZnO异质结构。通过声化学辅助沉积方法成功合成了表面装饰有CdS纳米颗粒的电纺ZnO纳米纤维（CdS@ZnO NFs），并在模拟阳光下评估了其作为H2生产光催化剂的效果。结构、形态和光谱分析证实形成了明确的CdS/ZnO异质结构。与纯CdS和ZnO NFs相比，该复合材料表现出更强的光吸收能力、更有利的带边对齐以及更高效的电荷分离，这从其优越的光电流响应中可以得到证明。CdS@ZnO NFs的氢生成速率达到了13.4 mmol g?1 h?1，比纯CdS高出三倍以上，并超过了大多数先前报道的ZnO/CdS系统。此外，该复合材料在连续三个循环中仍保持了出色的光稳定性，而纯CdS由于光腐蚀作用迅速失活。这种增强活性和耐用性归因于其一维纳米纤维结构以及在CdS/ZnO界面处的类S-scheme电荷转移行为，这种行为促进了有效的电荷分离同时保持了强的氧化还原能力。这些结果突显了CdS/ZnO纳米纤维界面工程在开发高效太阳能驱动氢生产光催化剂方面的潜力。
引言
对可持续能源解决方案日益增长的需求激发了人们对开发用于氢生产的先进材料的浓厚兴趣[1,2]。在各种氢生产方法中，利用太阳光进行光催化水分解提供了一种环境友好且可持续的途径，可以直接将太阳能转化为化学燃料[[3], [4], [5], [6]]。基于半导体的光催化技术尤其具有优势，如简单性、可扩展性以及直接将太阳能转化为氢的潜力[7,8]。
硫化镉（CdS）是一种最有前景的可见光响应光催化剂，因为它具有狭窄的带隙（约2.4 eV）和强的光吸收能力[5,[9], [10], [11]]。然而，其实际应用受到电子-空穴复合速度快和光照下明显光腐蚀的严重限制[12]。通过将CdS与宽带隙半导体结合构建异质结已成为提高电荷分离和光稳定性的有效策略[9,13]。在这些材料中，氧化锌（ZnO）因其高电子迁移率、化学稳定性、无毒性和易于合成而特别具有吸引力[14,15]。尽管有许多关于ZnO/CdS基光催化剂的报道，但通常需要较高的CdS负载量或添加其他半导体材料（例如rGO、ZnS、Au NPs）才能获得满意的氢生成速率[14,[16], [17], [18]]。此外，ZnO的光催化性能很大程度上取决于其形态；传统的纳米颗粒和薄膜往往具有有限的表面积和较差的电荷传输路径，从而限制了其效率[19]。
电纺技术已成为制备具有高孔隙率、大比表面积和高效矢量电荷传输通道的一维ZnO纳米纤维（NFs）的强大方法[[20], [21], [22]]。这些特性使得电纺ZnO NFs成为支撑CdS纳米颗粒的理想支架，有利于光捕获和促进界面电子转移[23]。尽管具有这些优势，但CdS与电纺ZnO纳米纤维的协同整合仍需进一步探索，特别是通过快速、节能的沉积方法。
在这项工作中，我们报道了通过结合电纺和声化学沉积的方法制备了表面装饰有CdS的电纺ZnO纳米纤维（CdS@ZnO NFs）。这种方法确保了CdS的均匀负载、强界面耦合和可控的纳米结构形成。所得到的CdS@ZnO NFs在可见光照射下表现出显著增强的氢生成活性和稳定性，其性能优于纯CdS三倍以上。改进的光催化性能源于CdS/ZnO异质结构的协同效应和一维纳米纤维结构。这项研究表明，将电纺技术与声化学合成相结合是设计高效太阳能驱动氢生产光催化剂的有效策略。
材料
合成和光催化测试中使用的所有化学品均为分析级，并按购买原样使用。聚（乙烯吡咯烷酮）（PVP，分子量Mw 1300,000）、六水合硝酸锌（Zn(NO3)2•6H2O）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、四水合硝酸镉（Cd(NO3)2•4H2O）、溴化鲸蜡基三甲基铵（CTAB）、乙二醇、氢氧化钠和8 wt%六水合六氯铂酸（H2PtCl6•6H2O）均从Sigma-Aldrich购买。无水硫代硫酸钠（Na2S2O3）也从其他供应商处购买。
表征
CdS、ZnO NFs和CdS@ZnO NFs的形态通过FEG-SEM进行了观察（图1）。CdS样品（图1a）由几乎球形的纳米颗粒聚集而成。ZnO NFs（图1b）呈现纤维状结构，平均直径为145 nm，由紧密堆积的ZnO纳米颗粒组成。这种互连结构导致高度多孔，增加了表面积和可利用的活性位点数量，这是光催化所需的理想特性。
结论
在这项工作中，通过将CdS通过声化学沉积方法沉积到电纺ZnO NFs上，成功制备出了高度互连的一维CdS/ZnO异质结构。详细的物理化学表征证实了CdS/ZnO界面的形成，同时伴随着光吸收能力、带边对齐和界面电荷传输的改善。该复合材料的氢生成速率为13.4 mmol g?1 h?1
CRediT作者贡献声明
阿德奈尔多·米兰达·莫塔（Adnaildo Miranda Mota）：资源提供、方法论设计、实验研究、数据分析。拉伊安·马塞多·多斯桑托斯（Raiane Macedo dos Santos）：实验研究、数据分析。若泽·费利佩·多斯桑托斯（José Felipe dos Santos）：方法论设计、实验研究、数据分析。马库斯·维尼修斯·桑托斯·达席尔瓦（Marcus Vinicius Santos da Silva）：方法论设计、数据分析。卢伊莎·A·梅尔坎特（Luiza A. Mercante）：撰写与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、资源提供、方法论设计、实验研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢巴西国家科学技术发展委员会（Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico，授权号407968/2022-9和405819/2022-6）以及巴西高等教育人员培训协调局（Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de Nível Superior，财务代码001）的财政支持。作者还感谢巴西国家纳米技术实验室（LNNano）提供的XPS测量支持（提案编号：20251485）。
