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Donor-acceptor Covalent Organic Framework/ZnIn2S4 Core-shell Structure S-scheme Heterostructure for Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution

材料科学 异质结 光催化 共价键 接受者 壳体(结构) 芯(光纤) 光电子学 光化学 纳米技术 凝聚态物理 催化作用 复合材料 有机化学 化学 物理
作者
Chao Cui,Xin Xu,Xiao‐Lei Zhao,Ning Xi,Mingtao Li,Xiaoning Wang,Yuanhua Sang,Xiaowen Yu,Hong Liu,Jiahai Wang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:126: 109632-109632 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109632
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) show promising prospect as the photocatalysts with advantages of exceptional light adsorption capabilities, large specific surface area, and adjustable band structure. However, COFs usually suffer from severe recombination of photogenerated carriers. Therefore, there is an urgent need to design effective COF-based heterostructures to enhance the separation of carriers. In this work, a porphyrin-based COF with electron donor-acceptor structure is synthesized via condensation polymerization by using 5, 10, 15, 20-tetrakis (4-aminophenyl) porphyrin (TAPPP) and N, N, N, N-tetra(4-aldehydephenyl)-1, 4-phenylenediamine as the electron donor and acceptor, respectively. Subsequently, ZnIn2S4 (ZIS) are successfully in-situ grown on the surface of porphyrin-based COF, forming a novel core-shell structure. The in-situ synthesized ZIS with positive charges can be easily adsorbed on the negatively charged sites of the COF's surface via the electrostatic interaction. This organic/inorganic hybrid COF-ZIS heterostructure exhibits a superior photocatalytic hydrogen evolution (PHE) rate of 695 μmol g−1 h−1, approximately three times higher than that of ZIS. The construction of COF-ZIS heterostructure played an important role in enhancing the separation and transport of photogenerated carriers, which provided more electrons at the surface of ZIS to take part in proton reduction. Electron paramagnetic resonance spectra confirm the charge carriers transfer mode in the COF-ZIS heterostructure via an S-scheme mechanism. Moreover, upon loading Pt as the cocatalyst, the heterostructure achieves an effective PHE rate of 2711 μmol g−1 h−1 along with an exceptional stability. Additionally, the COF-ZIS heterostructure reaches up to 2.45% of apparent quantum efficiency at 400 nm. Notably, the average lifetime of the COF-ZIS heterostructure increases by 43.2% and 98.9% compared to that of ZIS and COF individually, as observed through single-particle fluorescence spectroscopy. This work gives valuable inspiration into the building of donor-acceptor COF-based S-scheme heterostructures to achieve highly effective green energy conversion by aligning band structures.
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