岛津XPS用户成果分享——原位光照XPS表征新型Ti₃C₂纳米片/Cd₀.₅Zn₀.₅S纳米棒复合光催化剂

能源问题的持续恶化已成为限制人类发展的关键制约因素。对可再生能源有效利用的关键在于寻找一种能量转化和储存的可行方案。由太阳能驱动的水分解产氢通常被认为是一种有前途的方法。自1972年Fujishima和Honda关于在二氧化钛电极上光催化分解水产氢的首次报告以来，研究人员广泛研究了高效稳定的水分解光催化剂。其中金属硫化物以其独特的物理化学特性受到了广泛关注。

成果简介 原位生长新型Ti3C2纳米片/Cd0.5Zn0.5S纳米棒复合光催化剂促进高效光解水产氢

复旦大学戴维林教授课题组设计了一种新型Ti3C2纳米片/Cd0.5Zn0.5S纳米棒复合光催化剂，并使用原位光照XPS（X射线光电子能谱）对该材料催化反应机理进行了分析，为高效光解水产氢催化剂的构筑提供了一种可行方案。岛津参与了该项研究工作，相关合作成果已发表于物理化学领域知名SCI期刊《Acta Phys. -Chim. Sin.》（IF=10.9）。研究工作通过原位水热方法构筑了Ti3C2纳米片/Cd0.5Zn0.5S纳米棒二元复合材料，材料接触界面间形成了肖特基异质结。光催化产氢活性测试表明Ti3C2/Cd0.5Zn0.5S复合材料（以下简称MX/CZS）在可见光下的光催化产氢效率是纯Cd0.5Zn0.5S（以下简称CZS）的2.56倍。

图1是MX/CZS复合材料与纯CZS的各元素高分辨XPS谱图。复合后结合能相比于纯物质的结合能移动说明复合材料间存在电子转移作用，一般失去电子的一方结合能升高，反之降低。图1（a-c）中，与纯CZS相比，MX/CZS的Zn 2p、Cd 3d、S 2p结合能位置均升高。相应地，与纯MXene相比，C 1s中C-Ti峰以及Ti 2p中Ti-C 峰的结合能位置均有所降低。以上结果表明MX/CZS复合材料中电子由CZS转移至Ti3C2 MXene表面。

图1. MX/CZS复合材料、MXene和CZS的(a) Zn 2p，(b) Cd 3d，(c) S 2p，(d) Ti 2p，(e) C 1s高分辨率XPS谱图

由于真实反应在光照下进行，故进一步采用原位光照XPS用于探索CZS和Ti3C2 MXene之间的电荷转移。图2展示了原位光照XPS的结果，与黑暗条件相比，Cd 3d、Zn 2p、S 2p峰的结合能在光照条件下分别正向移动了0.4、0.5、0.4 eV。同时，Ti 2p 峰的结合能在可见光照射下负向移动0.2 eV。上述结果证实在原位光照条件下，光催化剂中的光生电子会从CZS向Ti3C2 MXene转移。这些常规XPS及原位XPS实验结果有力的证明了我们通过其他手段推测的反应机理。

图2. MX/CZS的 (a) Cd 3d，(b) Zn 2p，(c) S 2p和(d) Ti 2p的高分辨率原位光照XPS谱图

仪器介绍

全新一代Kratos AXIS SUPRA+ 是基于研发与制造，兼备高分辨采谱和快速平行成像功能的多技术型 X 射线光电子能谱（图2）。

·       便捷性：集样品全自动传输、全自动分析、智能数据采集处理于一体，体现了便捷性。

·       优异的性能：拥有多种 X 射线源、大半径双层能量分析器，杰出的荷电中和技术，使其获得了优异的性能。

·       丰富的扩展性：高能Ag Lα单色X射线源可有效区分光电子峰和俄歇峰并增加探测深度；搭配适应1000°C高温、3 MPa高压及模拟反应气氛的准原位催化反应池；适合不同波长和功率激光及模拟太阳光实时照射样品表面，在样品分析室进行原位光催化反应的光纤系统。

图2 复旦大学化学系X射线光电子能谱仪

参考文献：Qin Li, Huihui Zhang, Huajun Gu, Yuanyuan Cui, Ruihua Gao*, Wei-Lin Dai*. Acta Phys. -Chim. Sin., 2024, 40, 2402016.

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