设计多层结构的CuO@CuxSn1?xO2（其中x = 0、0.1、0.2和0.3）异质结，用于利用大气中的水分通过光催化反应生成氢气

《Journal of Materials Chemistry A》：Engineering multi-layered yolk–shell CuO@CuxSn1?xO2 (x = 0, 0.1, 0.2, and 0.3) heterojunction for photocatalytic H2 generation from atmospheric moisture

该研究通过构建Cu掺杂SnO2的多层异质结，优化光吸收和载流子分离效率，实现了从大气水分解高效制氢，产量达1332 μmol g?1 h?1，优于传统方法26.6倍。

　　

太阳能驱动的氢气（H?）生产受到高太阳辐射地区与淡水供应地区地理位置不匹配的根本限制。光催化大气水分分解（PAMS）技术能够直接从环境水蒸气中生成氢气，最近成为一种有前景的替代方法。本研究重点在于通过利用混合金属原子间的协同作用来设计多层蛋黄-壳层异质结构，从而充分发挥SnO?在PAMS基氢气生产中的潜在能力。研究中采用了一种甘油介导的金属-醇盐框架，将热力学不相容的Cu离子整合到SnO?晶格中，形成了Cu?Sn???O?（x = 0、0.1、0.2和0.3）蛋黄-壳层空心球体。XPS数据分析表明，Cu-Sn配位作用改变了Sn位点周围的局部电子密度，增强了Sn活性位点的氢气生成能力。用Cu替代Sn会导致晶格畸变，在导带附近产生中间能隙缺陷态，从而促进电荷传输、抑制电荷复合并延长载流子寿命。此外，所使用的金属-醇盐框架还形成了分层的蛋黄-壳层结构，提高了光子捕获能力，延长了载流子的保留时间，并增加了材料的孔隙率。随后，通过等电介质介导的退火技术将传统的CuO纳米颗粒封装到Cu?Sn???O?（x = 0.2）蛋黄-壳层球体上，形成了多层CuO@Cu?Sn???O?（x = 0.2）异质结构，这种结构在形态和电子性能上具有协同效应。在优化条件下，CuO@Cu?Sn???O?（x = 0.2）异质结构从大气水蒸气中直接生成氢气的产率达到1332 μmol g?1 h?1，分别比Cu改性的Cu?Sn???O?（x = 0.2）、原始SnO?和CuO高出2.0、10.9和26.6倍。在420纳米波长下，该体系的表观量子产率（AQE）为2.2%，太阳能到氢气的转换效率（STH）为0.31%，进一步体现了其高效性。为了进行可靠比较，还在液相光催化系统中评估了氢气生成情况，CuO@Cu?Sn???O?（x = 0.2）异质结构的氢气产率为16.82 mmol g?1 h?1，420纳米波长下的AQE为8.2%，STH效率为0.47%。连续循环实验中稳定的PAMS性能以及反应后的表征结果证实了该催化剂的稳健性和耐用性。这项工作为利用环境水分高效、可持续地生成氢气提供了一种多层蛋黄-壳层异质结构。