首都師范大學李偉副教授

A. 陝科大｜單原子Pd修飾CdS納米催化劑模擬日光誘導全分解水產氫

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第一作者及通訊作者：李偉（陝西 科技 大學（西安））

共同通訊作者：王傳義（陝西 科技 大學（西安））

通訊單位：陝西 科技 大學

論文DOI:10.1016/j.apcatb.2021.121000

研究亮點

1. 通過簡單可控的方法將單原子Pd成功修飾在了CdS NPs表面。

2. 單原子Pd與CdS NPs表面的S原子形成強配位作用，通過協同金爛棗屬-半導體配位相互作用促進了光誘導載流子自體相向表面的遷移，抑制了CdS光腐蝕現象，提高了光誘導電子利用效率。

3. 單原子Pd修飾CdS NPs後降低了催化水分解產氫能壘，顯著增強了其全分解水產氫活性。

研究背景

隨著雙碳目標的提出，國家對氫能源的發展做出了重要指導，有效推進氫能源的發展。傳統產氫手段能耗高，且伴隨有二次污染。由於太陽光能來源廣泛、使用方便、綠色可持續性等優點，將太陽能轉變為方便使用的高附加值化學能無疑是新能源開發的有效途徑，具有潛在應用價值。日光誘導全分解水產氫是一種開發氫能源的潛在技術，然而較低的效率阻礙了該項技術的大規模應用推廣。因此，開發高效穩定的全分解水產氫催化劑具有理論與實際研究意義。

硫化鎘（CdS）是一種低功函且具有優異可見光響應的過渡飢運拆金屬硫化物，在光催化和電催化領域有著廣泛的應用。被用於光催化材料時，長時間光誘導容易導致其結構發生嚴重光腐蝕，極大地影響其光催化性能。如何在提高CdS基光催化劑催化活性的同時，有效抑制其光腐蝕影響，增強其結構穩定性，是需要研究者不斷 探索 和解決的關鍵科學問題。

擬解決的關鍵問題

本課題通過一步簡單誘導還原策略，將單原子Pd修飾在CdNPs表面，實現了協同的金屬-半導體配位相互作用，抑制了載流子復合，提高了催化劑量子產率。更為重要的是，高度緩解了CdS光腐蝕影響，賦予其以長時間光電流穩定性，一定程度上解決了光腐蝕導致其催化劑結構不穩定的科學問題。

成果簡介

針對CdS光催化劑在光誘導下光腐蝕嚴重影響其催化性能的科學問題， 陝西 科技 大學（西安）李偉副教授及王傳義教授 等人通過一步簡單光誘導還原手段將單原子Pd修飾在六方相CdS NPs表面，制備出一種CdS-Pd納米光催化劑。由於CdS主體催化劑與單原子Pd活性位點間協同的半導體-金屬配位相互作用，其光響應性及界面電荷傳導特性均顯著增強，有效抑制了其光腐蝕，增強了催化劑結構穩定性。同時，CdS-Pd催化劑表面全分解水產氫過程能壘相較於純CdS NPs明顯降低，從而在模擬日光誘導下達到了純CdS納悄鉛米催化劑110倍的全分解水產氫活性，且表現出良好的耐光性能。

要點1：CdS-Pd復合光催化劑合成

通過簡單的一步誘導還原法將單原子Pd修飾在六方相CdSNPs表面，優化並制備出一種CdS-Pd納米光催化劑。

圖1.CdS-Pd復合光催化劑的合成示意圖及結構表徵。

要點2：CdS-Pd復合光催化劑結構、組成及形貌表徵

通過XRD、Raman、XPS、XAFS和ac-STEM等表徵研究發現：貴金屬Pd是以單原子狀態均勻分布在CdS 納米催化劑表面，且單原子Pd與CdS 納米催化劑表面的S原子形成了S-Pd配位作用，這有利於促進光誘導載流子的傳導。

圖2.CdS-Pd復合光催化劑的形貌、晶型及組成分析。

要點3：CdS-Pd復合催化劑模擬日光誘導產氫活性及穩定性

當反應體系pH = 10時，優化後的CdS-Pd納米催化劑在模擬太陽光誘導下全分解水析氫速率為947.93 μmol·g -1 ·h -1 ，是純CdS的110倍。如果進一步加入犧牲劑，其半分解水析氫速率可達到7335.83 μmol·g -1 ·h -1 。在λ = 420 nm的光波誘導下，其全分解水和半分解水的表觀量子產率分別為4.47%和33.92%。即使在室外日光輻照下，也可以清晰地觀察到大量氣泡的產生。以上研究表明單原子Pd修飾後的納米催化劑模擬日光誘導產氫活性顯著提高。另外，通過評價該改性催化劑進行模擬日光誘導催化產氫的持久性及再生性，證明Pd單原子修飾後的CdS納米催化劑具有穩定的光誘導催化活性和良好的結構穩定性。

圖3.CdS-Pd復合光催化劑的催化產氫性能、持久性和重復使用性。

要點4：CdS-Pd復合光催化劑的協同作用增強光-電化學性能及機理分析

通過光-電化學各項表分析可知：Pd單原子修飾後的CdS納米催化劑表現出良好的電子-空穴對分離特性，且由於協同的半導體（CdS）-金屬（Pd）配位相互作用加快了載流子自體相向表面的遷移，有效抑制了CdS的光腐蝕，延長了光生載流子壽命，從而在長時間光誘導下呈現高密度且穩定的光電流信號。

圖4. CdS-Pd復合光催化劑的光-電化學性能表徵及機理分析。

要點5：CdS-Pd復合光催化劑的DFT計算及催化機制分析

通過DFT計算分析可知：CdS-Pd納米催化劑表面全分解水產氫能壘相較於純CdS NPs明顯降低，且支撐了S-Pd配位鍵形成的可能性。最終證明氫氣生成的主要活性位點為催化劑表面的S位點，而表面單原子Pd則促進了水分子的分解。綜上所述，在模擬日光誘導下，CdS基體生成大量光誘導載流子，並快速遷移至表面。H 2 O分子首先在催化劑表面Pd位點處被分解為氫質子中間體和OH-離子，氫質子進一步在S位點處獲得電子被還原成氫氣，而OH - 離子則在CdS表面被光生空穴氧化為O 2 分子。由於該催化劑協同的金屬-半導體作用機制，O 2 分子與部分光誘導電子作用被快速轉化為超氧自由基（O 2 +e - O 2•- ），所以該催化劑更適合於在模擬日光誘導下催化水分解產氫應用。

圖5. CdS-Pd復合光催化劑的DFT計算及全分解水機制

小結與展望

綜上所述，針對純CdS半導體光誘導過程中光腐蝕影響導致其結構穩定性較差的科學問題，本研究通過一步簡單光誘導還原手段將單原子Pd修飾在六方相CdS NPs表面，制備出一種CdS-Pd納米光催化劑。由於CdS主體催化劑與單原子Pd活性位點間協同配位作用，其光響應性及界面電荷傳導特性均顯著增強，光誘導電子-空穴對復合抑制效果明顯。同時，單原子Pd修飾後的納米催化劑明顯降低了全分解水產氫過程的能壘，從而在模擬日光誘導下達到純CdS納米催化劑近110倍的全分解水產氫活性，並表現出優良的催化活性與結構穩定性。本研究對於通過簡單有效的制備方法合成穩定且高效的全分解水產氫CdS基光催化劑具有理論與實際研究意義。

參考文獻

W. Li, X. Chu, F. Wang, Y. Dang, X. Liu, T. Ma, J. Li, C. Wang, Pd single-atom decorated CdS nanocatalyst for highly efficient overall watersplitting under simulated solar light. Appl. Catal. B-Environ . 2021, DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.121000.

作者介紹

李偉 ，陝西 科技 大學 化學與化工學院，副教授。從事光催化劑結構設計及合成、光催化污水處理、太陽能光伏氫能源生產相關研究。目前已發表國際SCI論文30餘篇，總被引頻次1000餘次。部分研究被《Appl. Catal. B-Environ.》、《J. Mater. Chem. A》、《Environ. Sci.-Nano》、《ACS Sustainable Chem.Eng.》、《Chem. Eng. J.》、《ChemCatChem》、《Electrochim. Acta》等期刊報導。

王傳義 ，陝西 科技 大學特聘教授。德國洪堡學者、英國皇家化學會會士、國家外專局高端外國專家創新團隊負責人、德國洪堡基金會聯合研究小組中方負責人、陝西 科技 大學特聘教授、武漢大學兼職教授、博士生導師。應邀擔任中國可再生能源學會光化學專業委員會委員、中國感光學會光催化專業委員會委員及中國環境科學學會特聘理事、國家 科技 獎勵和國家重點研發計劃項目會評專家及國家基金委等機構項目評審專家。從事光催化技術在環境與能源領域的應用研究。

聲明

B. 中國數學會普及工作委員會的組成人員名單

（2012年1月至2015年12月） 主 任 楊新民（重慶師范大學） 吳建平（首都師范大學） 副主任 周 青（華東師范大學） 委 員 高宗升（北京航空航天大學） 郭建華（東北師范大學） 李工寶（華中師范大學） 李偉固（北京大學） 曲安京（西北大學） 吳 敏（華南理工大學） 熊 斌（華東師范大學） 姚一雋（復旦大學） 余紅兵（蘇州大學）

C. 合肥的那個安師大副教授李偉老師多少錢一節古箏課他親自教，多少錢他不會輕易收學生么

400到800不等，一節課50分鍾400左右，現在李老師一般兩節課連上，一個半小時800，看學生程度吧，差的太遠，一般給下面的老師

D. 北京華勝天成科技股份有限公司的領導團隊

董事長兼總裁 王維航王維航先生，獲浙江大學信息電子工程系微電子學專業碩士學位，清華大學經濟管理學院EMBA。現任公司第五屆董事會董事長兼總裁。曾任公司總經理、第一屆董事會副董事長兼總經理，第二、三、四屆董事會副董事長兼總裁。 董事 梁達光
梁達光先生，獲美國加州州立大學長灘分校頒發工商計算機法理學士學位及工商管理碩士學位。現任公司第五屆董事會董事、ASL聯營公司I-S Pte.董事會主席。2014年7月至今任北京理工大學珠海學院之兼職教授。 董事 李偉李偉先生，獲南京師范大學碩士學位。現任公司第五屆董事會董事。2012年至今在長江商學院EMBA20期學習。曾任南京金陵科技大學講師。 董事 王斌
王斌先生，獲會計學學士、會計學碩士、管理學博士學位。現任公司第五屆董事會董事。曾任北京商學院會計系財務教研室主任、會計系副主任，北京工商大學會計學院副院長，現為北京工商大學商學院財務學教授、對外經濟貿易大學國際商學院博士生導師。 董事兼常務副總裁 朱紅仙 朱紅仙女士，四川省工商管理學院工商管理碩士。現任公司第五屆董事會董事兼常務副總裁。歷任公司存儲及增值產品事業部西區總經理，區域總經理、事業部總經理、副總裁。 執行董事 范宇范宇先生，現任公司第五屆董事會執行董事。1982-1986年任職於清華大學黨委學生部和校辦公司。 獨立董事 仝允桓仝允桓先生，清華大學經濟管理學院創新、創業與戰略系教授。現任清華大學經濟管理學院創新、創業與戰略系教授、公司第五屆董事會獨立董事。 獨立董事 沈青華沈青華先生，碩士研究生，高級工程師。現任公司第五屆董事會獨立董事、中國信息協會特約副會長。曾任公司第四屆董事會獨立董事、原國家統計局總工程師、原國務院信息化領導小組辦公室重大課題專家組成員。 獨立董事 姜培維姜培維先生，中國社會科學院研究生院工業經濟管理專業在職博士研究生，高級會計師。現任公司第五屆董事會獨立董事。 副總裁 鄧昳
鄧昳女士，獲北京航空航天大學計算機科學與工程系計算機應用人工智慧專業碩士。現任公司副總裁。 副總裁 崔勇
崔勇先生，北京大學高級工商管理碩士。現任公司副總裁、公司系統信息產品一部總經理。曾任公司電信行業總經理，存儲增值事業部總經理，系統產品事業部總經理。 副總裁 楊俏叢
楊俏叢先生，獲沈陽工業學院工業外貿專業學士學位。現任公司副總裁。於2001年4月加入華勝天成，曾任公司電信產品與集成事業部總經理。 副總裁 杜欣
杜欣女士，46歲，獲北京理工大學管理學碩士學位。現任公司副總裁、CIO。歷任公司工程師、培訓經理、服務交付總監、專業服務總經理、系統集成事業部總經理等。