島津XPS用戶成果分享——原位光照XPS表征新型Ti?C?納米片／Cd?.?Zn?.?S納米棒復合光催化劑

能源問題的持續惡化已成為限制人類發展的關鍵制約因素。對可再生能源有效利用的關鍵在于尋找一種能量轉化和儲存的可行方案。由太陽能驅動的水分解產氫通常被認為是一種有前途的方法。自1972年Fujishima和Honda關于在二氧化鈦電極上光催化分解水產氫的首次報告以來，研究人員廣泛研究了高效穩定的水分解光催化劑。其中金屬硫化物以其獨特的物理化學特性受到了廣泛關注。

成果簡介 原位生長新型Ti₃C₂納米片/Cd_0.5Zn_0.5S納米棒復合光催化劑促進高效光解水產氫

復旦大學戴維林教授課題組設計了一種新型Ti₃C₂納米片/Cd_0.5Zn_0.5S納米棒復合光催化劑，并使用原位光照XPS（X射線光電子能譜）對該材料催化反應機理進行了分析，為高效光解水產氫催化劑的構筑提供了一種可行方案。島津參與了該項研究工作，相關合作成果已發表于物理化學領域知名SCI期刊《Acta Phys. -Chim. Sin.》（IF=10.9）。研究工作通過原位水熱方法構筑了Ti₃C₂納米片/Cd_0.5Zn_0.5S納米棒二元復合材料，材料接觸界面間形成了肖特基異質結。光催化產氫活性測試表明Ti₃C₂/Cd_0.5Zn_0.5S復合材料（以下簡稱MX/CZS）在可見光下的光催化產氫效率是純Cd_0.5Zn_0.5S（以下簡稱CZS）的2.56倍。

圖1是MX/CZS復合材料與純CZS的各元素高分辨XPS譜圖。復合后結合能相比于純物質的結合能移動說明復合材料間存在電子轉移作用，一般失去電子的一方結合能升高，反之降低。圖1（a-c）中，與純CZS相比，MX/CZS的Zn 2p、Cd 3d、S 2p結合能位置均升高。相應地，與純MXene相比，C 1s中C-Ti峰以及Ti 2p中Ti-C 峰的結合能位置均有所降低。以上結果表明MX/CZS復合材料中電子由CZS轉移至Ti₃C₂ MXene表面。

圖1. MX/CZS復合材料、MXene和CZS的(a) Zn 2p，(b) Cd 3d，(c) S 2p，(d) Ti 2p，(e) C 1s高分辨率XPS譜圖

由于真實反應在光照下進行，故進一步采用原位光照XPS用于探索CZS和Ti₃C₂ MXene之間的電荷轉移。圖2展示了原位光照XPS的結果，與黑暗條件相比，Cd 3d、Zn 2p、S 2p峰的結合能在光照條件下分別正向移動了0.4、0.5、0.4 eV。同時，Ti 2p 峰的結合能在可見光照射下負向移動0.2 eV。上述結果證實在原位光照條件下，光催化劑中的光生電子會從CZS向Ti₃C₂ MXene轉移。這些常規XPS及原位XPS實驗結果有力的證明了我們通過其他手段推測的反應機理。

圖2. MX/CZS的 (a) Cd 3d，(b) Zn 2p，(c) S 2p和(d) Ti 2p的高分辨率原位光照XPS譜圖

儀器介紹

全新一代Kratos AXIS SUPRA+ 是基于卓越的研發與制造，兼備高分辨采譜和快速平行成像功能的多技術型 X 射線光電子能譜（圖2）。

· 卓越的便捷性：集樣品全自動傳輸、全自動分析、智能數據采集處理于一體，體現了卓越的便捷性。

· 優異的性能：擁有多種 X 射線源、大半徑雙層能量分析器，杰出的荷電中和技術，使其獲得了優異的性能。

· 豐富的擴展性：高能Ag Lα單色X射線源可有效區分光電子峰和俄歇峰并增加探測深度；搭配適應1000°C高溫、3 MPa高壓及模擬反應氣氛的準原位催化反應池；適合不同波長和功率激光及模擬太陽光實時照射樣品表面，在樣品分析室進行原位光催化反應的光纖系統。

圖2 復旦大學化學系X射線光電子能譜儀

參考文獻：Qin Li, Huihui Zhang, Huajun Gu, Yuanyuan Cui, Ruihua Gao*, Wei-Lin Dai*. Acta Phys. -Chim. Sin., 2024, 40, 2402016.

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