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摘要
氢气是缓解环境污染和能源短缺的零污染绿色能源，利用太阳能诱导半导体裂解水制氢是最环保的方法之一。本文以MOFs衍生的Ni-CNT(Ni修饰的碳纳米管)作为非贵金属助催化剂，通过简单的油浴法原位生长ZnIn2S4纳米片合成了Ni-CNT/ZnIn2S4。在Ni-CNT/ZnIn2S4中，Ni纳米颗粒包裹在CNT的顶部和横截面上，有效地阻止了Ni纳米颗粒的团聚。Ni-CNT/ZnIn2S4异质结构具有紧密的接触界面，有利于电荷转移，可作为高效的析氢光催化剂。38Ni-CNT/ZnIn2S4样品具有最佳的产氢性能(12267 μmol·h-1·g-1)，约为纯ZnIn2S4的6.4倍，且在420 nm单色光下其表观量子效率达到11.3%。X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)结果证实了Ni-CNT/ZnIn2S4异质结构的存在。电化学测试表明，Ni-CNT与ZnIn2S4的结合促进了光生电荷的转移，有效地阻止了光生载流子的快速复合，从而增强了ZnIn2S4的析氢性能。电子自旋共振(ESR)结果进一步证明了Ni-CNT助催化剂的存在延长了ZnIn2S4光生电荷的寿命，促进了光生电荷和空穴的分离效率。通过密度泛函理论计算探索并确定了异质结界面中的电荷转移途径。Ni、CNT和ZnIn2S4费米能级的差异导致界面处电荷发生迁移从而形成内嵌电场，ZnIn2S4的能带向下弯曲，促进光生电子从ZnIn2S4流向Ni-CNT电子受体。平面平均电子密度差结果证实了热电子从Ni转移至CNT再转移至ZnIn2S4，表明光生电子转移途径为ZnIn2S4 → CNT → Ni。此外，吸附H*吉布斯自由能(ΔGH*)和晶体轨道哈密顿布居(COHP)结果表明Ni纳米颗粒可作为析氢反应的活性位点，促进了产氢效率。本工作将为开发低成本、高效的非贵金属光催化制氢催化剂提供新的策略。
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单位材料学院; 重质油国家重点实验室; 中国石油大学（北京）
