锚定于氧化镁（MgO）上的分级 Si?Fe???O 纳米结构用于高效可见光驱动制氢

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Hierarchical Si xFe 1-xO Nanostructures Anchored on MgO for Efficient Visible-Light-Driven Hydrogen Production

　　

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  合成了缺陷工程化的Si_xFe_1-xO/MgO异质结构，用于可见光驱动产氢。
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  Si_0.57Fe_0.43O/MgO实现了3190 μmol h^-1的H₂逸出速率，表观量子产率为2.97%。
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  氧空位和Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原偶极促进了高效的电荷分离和界面电荷转移。
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  优化后的异质结构表现出优异的光催化稳定性和可回收性。

引言

氢能正成为全球向清洁和可持续能源转型的基础之一，为大幅减少温室气体排放提供了一种可行的解决方案。[1]、[2]、[3] 光催化水分解因其能够直接将丰富的太阳能转化为清洁氢燃料，已成为最具前景和可持续的太阳能驱动制氢技术之一。[4]、[5]、[6] 早期的光催化水分解研究主要依赖于贵金属催化剂，因为它们具有优异的产氢动力学性能。[7]、[8]、[9]、[10] 在众多广泛研究的贵金属光催化剂中，包括Cu-Pt/TiO₂ [11]、Pt/CdS [12]、Pt/ZnO [13]、Pt/g-C₃N₄ [14]、Pd/TiO₂ [15]、TiO₂/CdS/Pd [16]、Ru/TiO₂ [17]、掺Rh的SrTiO₃ [18]、Ag/TiO₂ [19]改性光催化剂、Pt-Ru/TiO₂ [20]以及Au-Pd/CdS [21]。尽管这些催化剂实现了较高的产氢活性和量子效率，但高昂的成本和低丰度限制了它们的广泛应用。[22]、[23]

迄今为止，已对多种半导体光催化剂进行了光催化水分解研究，包括金属氧化物、金属硫化物、有机聚合物和碳基材料。传统的氧化物半导体如ZnO [24]、SrTiO₃ [25]、Fe₂O₃ [26]、WO₃ [27]、Co₃O₄ [28]、SnO₂ [29]和CeO₂ [30]因化学稳定性好且成本低廉而得到了广泛研究。然而，它们仍存在一些缺陷，如较大的带隙、高电荷载流子复合速率和低可见光吸收效率。[31] 因此，大量研究致力于通过组分调控来优化光催化剂的电子结构和界面电荷转移行为。[1]、[32] 此外，可见光响应半导体光催化剂的开发已成为主要研究重点。

硅基光催化剂及其异质结构近年来因具有窄带隙、高电荷载流子迁移率以及宽范围的可见光至近红外光吸收而备受关注。多项研究表明，纯硅的光催化活性受到光生电子-空穴对快速复合和催化活性位点数量有限制的制约。[33]、[34] 为克服这些局限，采用铁等过渡金属作为助催化剂，为产氢提供丰富的活性位点并加速界面电荷转移。[35] 此外，MgO作为稳定载体被用于改善催化剂分散性、增强催化剂-载体相互作用，并通过形成异质结界面促进电荷分离。[36] 协同集成可以大幅提高光催化活性，但实现载流子的最大利用和表面反应效率仍需进一步改进。[37]

异质结工程和缺陷工程已成为两种最有效的策略，通过促进电荷分离和优化光生电荷载流子动力学来增强光催化性能。[38] 特别是，引入受控缺陷，如氧空位、阳离子空位、间隙缺陷和异质原子掺杂，可以调控电子结构、拓宽可见光吸收范围并产生催化活性位点。[39] 因此，缺陷工程化的光催化剂，包括Fe₂O₃和MgO，已展现出显著提高的光催化活性。[26]、[27]、[28]、[38] 因此，合理设计缺陷工程化的硅基光催化异质结可能为太阳能驱动制氢提供一条有前景的途径。

因此，本研究的目标是开发具有优化组分和缺陷化学特性的低成本、地壳丰富元素的Si_xFe_1-xO/MgO异质结构，以提高可见光辅助光催化产氢性能。据我们所知，这是首次报道Si/Fe组分调控对电子结构和电荷分离的协同效应，以实现高效光催化H₂逸出。光催化性能通过氢逸出速率和表观量子产率（AQY）进行评估，同时利用先进的 spectroscopic、电化学和密度泛函理论分析，全面研究了活化能、结构稳定性和长期耐久性。

部分摘录

化学品与表征方法

硝酸铁九水合物（Fe(NO₃)₃·9H₂O）、镁粉（Mg，99%）、盐酸（HCl，37%）、氨水（NH₄OH，25%）、硫酸钠（Na₂SO₄，≥99%）购自印度Loba公司。商品聚偏二氟乙烯（PVDF）和N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）购自Sigma-Aldrich（美国），直接使用未作处理。原稻壳在当地采集，用作二氧化硅来源。分析级化学品直接用于实验，未作额外纯化，去离子

结果与讨论

Si_xFe_1-xO/MgO光催化剂的合成路线如图1所示。将所得SiO₂、Fe₂O₃和Mg粉末按化学计量比混合，在800°C下通过镁热固态还原反应生成Si_xFe_1-xO/MgO（x = 0.25、0.40和0.57）。随后对其形貌和晶体结构进行了表征。合成的Si_xFe_1-xO/MgO光催化剂的FESEM图像如图2A–C所示。所有样品均呈现出紧密堆积的准球形

结论

本研究合理设计了一系列Si_xFe_1-xO/MgO异质结构光催化剂，并利用理论建模和广泛的实验表征进行了全面评估。在所合成的组分中，Si_0.57Fe_0.43O/MgO表现出最高的光催化产氢速率，并在多个反应循环中展现出卓越的结构稳定性，证实了其在运行条件下的耐久性。该优化材料实现了表观量子

未引用参考文献

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CRediT作者贡献声明

Anh Tuan Hoang：写作——审阅与编辑、验证。Kamrul Islam Md.：可视化、验证、形式化分析。Tarikul Islam：写作——审阅与编辑、验证、形式化分析、概念化。Aminul Islam：写作——审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念化。Md Rabiul Awual：写作——审阅与编辑、验证、资源、调查研究。Mohammad Mobarak Hossain：写作——初稿、方法学，

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系冲突。

致谢

本工作得到了BEPRC研究基金（编号：27.03.0000.000.39.001.17.651）的支持。研究在氢能及CO₂转化实验室完成。

Aminul Islam|Md Rabiul Awual|Mohammad Mobarak Hossain|Md Tarekul Islam|Anh Tuan Hoang|Kamrul Islam|Tarikul Islam