可控合成具有可调形态的分层CNF-In?S?微/纳米结构，可在可见光下实现高效且长期稳定的氢气生产

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Controlled synthesis of hierarchical CNF-In 2S 3 micro/nanostructures with tunable morphology for highly efficient hydrogen production with long-term stability under visible light

光催化制氢性能的提升依赖于材料微纳结构调控，本研究首次通过一锅水热法调控前驱体浓度和pH值，成功制备了三种具有垂直紧密排列In?S?纳米片层的碳纳米纤维基复合材料（CI-1, CI-2, CI-3）。其中CI-2的电缆状结构展现出462 μmol h?1的产氢速率，显著优于纯In?S?（26 μmol h?1）和其它复合材料。优异性能归因于：1）多级结构增强光散射与吸收；2）碳纤维网络有效抑制电荷复合。

　　在当前全球能源危机和气候变化日益严重的背景下，开发高效的清洁能源技术成为科研界的重要课题。其中，光催化制氢技术因其清洁、可持续和高能量转换效率而备受关注。光催化剂作为这一技术的核心，其性能直接影响到制氢效率和稳定性。然而，目前大多数光催化剂在实际应用中面临诸多挑战，例如结构不规则、光生电子-空穴对的快速复合等问题，这些问题严重制约了光催化反应的效率。为了解决这些瓶颈，研究者们不断探索新的材料设计策略，以提升光催化剂的性能。

在这一背景下，本研究提出了一种创新的合成方法，成功制备了三种具有可控微/纳米结构的碳纳米纤维（CNF）-In?S?复合材料。通过调控前驱体的浓度和pH值，研究人员首次实现了在单一反应体系中对复合材料结构的精确控制。这些复合材料的结构特征不仅显著提升了光催化反应的性能，还为未来的清洁能源开发提供了新的思路。具体而言，其中一种名为CI-2的电缆状复合材料，表现出卓越的光催化制氢活性，其氢气产率在10个循环（每个循环4小时）中达到约462 μmol h?1，远高于纯In?S?（26 μmol h?1）、CI-1（172 μmol h?1）和CI-3（386 μmol h?1）的性能。这一结果表明，CI-2在光催化制氢方面具有显著优势。

CI-2之所以表现出优异的性能，主要归因于其独特的结构设计。首先，该材料具有可控的微/纳米结构，这种结构不仅有助于提高光的散射效率，还能够优化光吸收性能。其次，碳纳米纤维的引入有效降低了光生载流子的复合速率，从而提高了电子-空穴对的分离效率。此外，CI-2的电缆状结构设计使得In?S?纳米片能够紧密地包裹在碳纳米纤维的表面，这种结构增强了光催化反应的活性，进一步提升了氢气的产率。因此，CI-2不仅在光催化制氢方面表现出色，还具备良好的长期光稳定性，这使其在实际应用中具有较大的潜力。

本研究的创新点在于，通过一种简单而高效的一步法水热反应，实现了对复合材料结构的精确调控。相比传统的多步合成方法，这种方法不仅降低了实验的复杂性，还提高了材料的制备效率。同时，该研究首次将碳纳米纤维与In?S?纳米结构相结合，并通过调控前驱体的浓度和pH值，获得了三种不同形态的复合材料。这三种复合材料分别具有二维、电缆状和三维花状的结构，其形态的多样性为光催化反应提供了更多的可能性。

在实验过程中，研究人员首先通过静电纺丝技术制备了PAN纳米纤维，随后通过稳定化和碳化过程将其转化为碳纳米纤维。最后，通过一步法水热反应，在碳纳米纤维表面生长出具有可控形态的In?S?纳米结构。这种合成方法不仅避免了复杂的多步操作，还能够实现对材料结构的精确控制。通过调整前驱体的浓度和pH值，研究人员能够获得不同形态的复合材料，从而满足不同应用场景的需求。

为了验证这些复合材料的性能，研究人员进行了系统的光催化制氢实验。实验结果显示，CI-1、CI-2和CI-3的制氢活性均显著高于纯In?S?，而CI-2的性能最佳。这表明，通过调控结构，可以有效提升光催化反应的效率。同时，实验还发现，CI-2在长期光照射下仍能保持稳定的性能，这为其在实际应用中提供了重要的支持。

此外，本研究还探讨了不同结构对光催化性能的影响。通过对比不同形态的复合材料，研究人员发现，电缆状结构的CI-2在光催化反应中表现出最佳的性能。这可能是因为其独特的结构设计能够有效促进光生载流子的分离和传输，从而提高反应效率。同时，这种结构也能够增强光的散射能力，使得更多的光能够被有效利用，进一步提升了光催化反应的活性。

本研究的成果不仅为光催化制氢技术提供了新的材料选择，还为其他清洁能源技术的发展提供了借鉴。例如，碳纳米纤维与In?S?的结合可能在太阳能电池、传感器和环境治理等领域也具有广阔的应用前景。通过调控结构，研究人员能够获得具有不同功能特性的复合材料，从而满足多样化的应用需求。

在材料制备过程中，研究人员还采用了多种化学试剂，包括铟氯化物四水合物、L-半胱氨酸、四乙氧基硅烷、乙酸、聚丙烯腈和氢氧化钠等。这些试剂在实验中起到了重要的作用，例如L-半胱氨酸能够作为表面活性剂，帮助调控In?S?纳米结构的生长方向；四乙氧基硅烷则用于制备碳纳米纤维的前驱体。此外，研究人员还使用了二甲基甲酰胺和去离子水等溶剂，以确保实验的顺利进行。

为了确保实验的准确性和可靠性，研究人员对所有使用的化学试剂进行了严格的质量控制，并在实验过程中避免了任何可能的杂质干扰。所有试剂均未经过进一步纯化，而是直接用于实验。这种做法虽然简化了实验流程，但也要求研究人员在实验设计和操作过程中保持高度的严谨性，以确保实验结果的准确性。

本研究的成果表明，通过合理的结构设计，可以显著提升光催化剂的性能。这种结构设计不仅能够优化光的吸收和散射性能，还能够有效降低光生载流子的复合速率，从而提高电子-空穴对的分离效率。这些因素共同作用，使得光催化反应的效率得到了显著提升。同时，研究人员还发现，不同形态的复合材料在光催化反应中的表现各不相同，这为未来的材料设计提供了重要的参考。

综上所述，本研究通过调控前驱体的浓度和pH值，成功制备了三种具有可控微/纳米结构的碳纳米纤维-In?S?复合材料。其中，CI-2表现出最佳的光催化制氢活性和长期光稳定性，这使其在清洁能源生产领域具有重要的应用价值。此外，本研究还为其他光催化反应和材料设计提供了新的思路，展示了结构调控在提升材料性能方面的巨大潜力。未来，研究人员将继续探索更多结构设计策略，以进一步提升光催化剂的性能，推动清洁能源技术的发展。