拓扑绝缘体Bi2Te3与氧化石墨烯协同增强光热效应及光催化析氢活性

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Abstract

通过将太阳能部分转化为热能的光热协同催化技术，有望突破当前实现零人工能耗高效光催化制氢的瓶颈。然而，如何设计能协同利用光能与热能的高效光催化剂仍具挑战性。本研究通过构建基于拓扑绝缘体Bi2Te3和氧化石墨烯(GO)协同修饰Zn0.67Cd0.33S的新型异质结，成功提升了光热效应和可见光催化析氢性能。1.1 wt% Bi2Te3@0.05% GO@Zn0.67Cd0.33S异质结的光催化析氢速率达到11.52 mmol/h/g（表观量子产率21.7%），是纯Zn0.67Cd0.33S的12.9倍。在不进行冷却的条件下，产氢速率可达71.79 mmol/h/g。这种催化活性的提升源于Bi2Te3与GO对可见光吸收的协同增强作用及对光热效应的系统性强化。此外，Bi2Te3的高导电性与GO的高质子传导性不仅提高了电子传输速率，还协同促进了析氢反应的加速。Bi2Te3与Zn0.67Cd0.33S之间形成的强内置电场，极大促进了光生载流子的高效分离。该研究成果为开发高效新型光热催化剂提供了具有前景的策略。

Content

Conclusion

通过水热法成功构建了一种新型光热耦合催化剂，用于高效光催化析氢。最优化的1.1 wt% Bi2Te3@0.05% GO@Zn0.67Cd0.33S异质结在可见光照射下表现出11.52 mmol/g/h的析氢速率，是纯Zn0.67Cd0.33S的12.9倍。在不冷却条件下实现了71.79 mmol/h/g的产氢速率，初步验证了光热效应的可行性。性能提升归因于Zn0.67Cd0.33S与Bi2Te3之间形成的强内置电场，极大促进了有效电荷分离。相应地，Bi2Te3和氧化石墨烯的协同添加拓宽了催化剂的可见光吸收范围并增强了其光热效应。该研究成果为拓扑绝缘体助催化剂的合理设计及新型可见光响应光热催化剂的开发提供了宝贵的新见解。

信息来源：光学超材料

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