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Ultrathin ZnIn2S4 nanosheets with active (110) facet exposure and efficient charge separation for cocatalyst free photocatalytic hydrogen evolution

材料科学 光催化 纳米片 密度泛函理论 半导体 载流子 吸收(声学) Atom(片上系统) 纳米技术 催化作用 光化学 化学物理 光电子学 化学 计算化学 计算机科学 嵌入式系统 生物化学 复合材料
作者
Xiaowei Shi,Liang Mao,Ping Yang,Huajun Zheng,Mamoru Fujitsuka,Junying Zhang,Tetsuro Majima
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier]
卷期号:265: 118616-118616 被引量:207
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2020.118616
摘要

Due to the relative insufficient intrinsic active sites for hydrogen (H2) evolution reaction (HER) and fast recombination of photoexcited charge carriers, activity of semiconductor photocatalysts without cocatalyst is still far less than the expectations. Here, we for the first time theoretically and experimentally prove that ultrathin hexagonal structural ZnIn2S4 (ZIS) nanosheet is a promising cocatalystfree photocatalyst. According to density functional theory (DFT) calculations, the S atom on (110) facet of hexagonal ZIS coordinating with both Zn and In atoms shows an ideal adsorption free energy of H atom (ΔGH0) of -0.16 eV, which can act as active site for HER. Thus, we fabricate ultrathin ZIS nanosheets (2.6–5.0 nm) under the assistance of trisodium citrate with more (110) facets exposed to provide more active sites. Simultaneously photoexcited electron dynamics studied by femtosecond transient absorption reveals a longer average decay lifetime (359 ps) in such ZIS nanosheets, which indicates an enhanced charge separation efficiency. As a result, HER of the ultrathin ZIS layers in the absence of cocatalyst increases up to 1.94 mmol g−1 h-1 under visible light irradiation (λ > 420 nm) with AQE at 420 nm of 10.1 %, which is 11.2 times larger than that of pristine ZIS. This work brings a deep insight into structural-activity relationship study and takes a significant step toward the development of cocatalyst free ultrathin 2D photocatalysts for H2 evolution.
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