Direct Z-Scheme TiO2/NiS Core–Shell Hybrid Nanofibers with Enhanced Photocatalytic H2-Production Activity

光催化 X射线光电子能谱 异质结 制氢 分解水 化学工程 材料科学 热液循环 纳米纤维 催化作用 化学 纳米技术 光电子学 工程类 有机化学 生物化学
作者
Feiyan Xu,Liuyang Zhang,Bei Cheng,Jiaguo Yu
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:6 (9): 12291-12298 被引量:237
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.8b02710
摘要

Photocatalytic water splitting to generate hydrogen (H2) is a sustainable approach for solving the current energy crisis. A novel TiO2/NiS core–shell nanohybrid was fabricated where few-layer NiS nanoplates were deposited on TiO2 skeletons via electrospinning and hydrothermal methods. The NiS nanoplates with a thickness of ca. 28 nm stood vertically and uniformly upon the TiO2 nanofibers, guaranteeing intimate contact for charge transfer. XPS analysis and DFT calculation imply that the electrons in NiS would transfer to TiO2 upon hybridization, which creates a built-in electric field at the interfaces and thus facilitates the separation of useful electron and hole upon photoexcitation. In-situ XPS analysis directly proved that the photoexcited electrons in TiO2 migrated to NiS under UV–visible light irradiation, suggesting that a direct Z-scheme heterojunction was formed in the NiS/TiO2 hybrid. This direct Z-scheme mechanism greatly promotes the separation of useful electron–hole pairs and fosters efficient H2 production. The hybrid nanofibers unveiled a high H2-production rate of 655 μmol h–1 g–1, which was 14.6-fold of pristine TiO2 nanofibers. Isotope (4D2O) tracer test confirmed that H2 was produced from water, rather than from any H-containing contaminants. This work provides an alternative approach to rationally design and synthesize TiO2-based photocatalysts with direct Z-scheme pathways toward high-efficiency photogeneration of H2.
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