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太陽能以其取之不盡、用之不竭、清潔可再生等特點，有望成為化石燃料的替代能源之一，半導體光催化因其成功將太陽能轉(zhuǎn)化為所需的化學能而引起了研究者極大的興趣。光催化制氫是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能的最重要途徑之一，而其關(guān)鍵技術(shù)在于開發(fā)高效、高穩(wěn)定性、低成本的光催化劑。本期島津XPS 用戶成果分享主要介紹復旦大學化學系戴維林教授研究團隊近期在光催化領(lǐng)域研究的一些進展及XPS測試技術(shù)在其中的應用。

團隊介紹---戴維林教授團隊

復旦大學化學系教授，博士生導師。主要研究領(lǐng)域為新型催化材料的構(gòu)筑及其在能源、環(huán)境、精細化學品合成及太陽能光催化等領(lǐng)域的應用。曾獲上海市曙光學者稱號。以第一或通訊作者在化學及材料領(lǐng)域著名期刊ACS Catal., Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A., Appl. Catal. B: Environ., Green. Chem., J. Catal., ACS Sustain. Chem. Eng., Chem. Commun., J. Hazard. Mater.等發(fā)表SCI論文170余篇，多篇論文入選全球1% ESI 高被引用論文，總引用次數(shù)10890余次，H-index 56，獲中國發(fā)明專利33項。2014-2023連續(xù)入選Elsevier公布的化學領(lǐng)域中國大陸高被引學者榜單，2023 年度入選斯坦福大學及 Elsevier 發(fā)布全球化學學科 2%頂尖科學家榜單，在國際上產(chǎn)生了一定的影響。目前擔任多個學術(shù)刊物的編委。

成果簡介: CdSe@Ti3C2 MXene復合材料實現(xiàn)高效光解水產(chǎn)氫

復旦大學戴維林教授課題組設計了一種CdSe納米棒@Ti3C2 MXene納米片復合光催化劑，并結(jié)合SPM（掃描探針顯微鏡）及原位光照XPS（X射線光電子能譜）結(jié)果進行相關(guān)機理探討，為進一步開發(fā)高效穩(wěn)定的光催化體系提供了研究思路。島津公司參與該項研究工作，相關(guān)合作成果發(fā)表于光催化領(lǐng)域國際知名SCI期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（IF=22.1）上。

      研究工作利用原位水熱技術(shù)構(gòu)建了由Ti3C2 MXene納米片和CdSe納米棒組成的二元異質(zhì)結(jié)，通過光催化產(chǎn)氫活性測試發(fā)現(xiàn)，在可見光下，CdSe-Ti3C2 MXene（以下簡稱CdSe-MX）的最佳氫生成活性比原始CdSe高近6倍。圖1給出了CdSe-MX復合材料與純CdSe的各元素高分辨XPS譜圖，相較于純物質(zhì)，復合后各組分結(jié)合能的移動可反映出復合材料之間存在電子轉(zhuǎn)移作用，一般失去電子的一方結(jié)合能升高，反之則降低。圖1（a、d）中，與純MXene相比，CdSe-MX的C 1s中歸屬于C-Ti峰的結(jié)合能以及Ti 2p中Ti-C 2p3/2的結(jié)合能位置均降低；相應地，與純CdSe相比，CdSe-MX的Se 3d5/2結(jié)合能以及Cd 3d5/2結(jié)合能位置均升高。以上結(jié)果表明CdSe-MX復合材料中電子由CdSe轉(zhuǎn)移至Ti3C2 MXene表面。

圖1.CdSe-MX復合材料與純CdSe的(a) C 1s、(b) Cd 3d、(c) Se 3d、(d) Ti 2p高分辨率XPS譜圖

由于真實反應體系在光照下進行，故進一步采用原位光照XPS用于探索CdSe和Ti3C2 MXene之間的電荷轉(zhuǎn)移，結(jié)果見圖2。與黑暗條件相比，Cd 3d5/2的結(jié)合能在光照條件下正向移動0.4 eV，Se 3d 峰的結(jié)合能在光照條件下也正向移動0.3 eV。同時，Ti 2p3/2峰的結(jié)合能在可見光照射下負向移動0.2 eV。這一發(fā)現(xiàn)證明了在原位光照條件下，電子進一步從CdSe轉(zhuǎn)移到MXene。這些XPS結(jié)果有力的證明了反應條件下的電子轉(zhuǎn)移方向，驗證了催化反應機理。

圖2. 原位光照前后CdSe-MX的Cd 3d (a)、Se 3d (b) 和Ti 2p (c)的高分辨率XPS譜圖

儀器介紹

全新一代Kratos AXIS SUPRA+ 是基于研發(fā)與制造，兼?zhèn)涓?/span>分辨采譜和快速平行成像功能的多技術(shù)型 X 射線光電子能譜（圖3）。

·       便捷性：集樣品全自動傳輸、全自動分析、智能數(shù)據(jù)采集處理于一體，體現(xiàn)了便捷性。

·        優(yōu)異的性能：擁有多種 X 射線源、大半徑雙層能量分析器，杰出的荷電中和技術(shù)，使其獲得了優(yōu)異的性能。

·       豐富的擴展性：高能Ag Lα單色X射線源可有效區(qū)分光電子峰和俄歇峰并增加探測深度；搭配適應1000°C高溫、3 MPa高壓及模擬反應氣氛的準原位催化反應池；適合不同波長和功率激光及模擬太陽光實時照射樣品表面，在樣品分析室進行原位光催化反應的光纖系統(tǒng)。

圖3 復旦大學化學系X射線光電子能譜儀

參考文獻：Huajun Gu, Huihui Zhang, Xinglin Wang, Qin Li, Shengyuan Chang, Yamei Huang, Linlin Gao, Yuanyuan Cui, Renwei Liu, Wei-Lin Dai*. Appl. Catal. B: Environ., 2023, 328, 122537.

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