島津XPS用戶成果分享丨原位光照XPS表征共價有機骨架／NaTaO?S型異質結構復合光催化劑

隨著新能源產業的發展，氫能作為一種清潔可再生的能源，具有重要的研究意義，光催化分解水是一種理想的產氫手段。本期島津XPS 用戶成果分享繼續介紹復旦大學化學系戴維林教授研究團隊近期在光催化領域研究的一些進展及XPS測試技術在其中的應用。

成果簡介:共價有機骨架/NaTaO₃ S型異質結構的合理設計促進光催化析氫

復旦大學戴維林教授課題組通過表面氨基修飾以及原位水熱過程合成了一種共軛有機框架（COF）材料TpBpy/NaTaO₃復合光催化劑，并利用原位光照XPS（X射線光電子能譜）以及DFT理論計算證明其屬于S型光催化反應機理，為設計合成高效穩定的光催化材料提供了新思路。島津公司參與該項研究工作，相關合作研究成果發表于膠體與界面領域國際權威SCI期刊《Journal of Colloid and Interface Science》（IF=9.9）上。

圖1. N-NaTaO₃與NaTaO₃的(a) Ta 4f、(b) O 1s高分辨率XPS譜圖，(c) 原位光照前后TpBpy/NaTaO₃的Ta 4f高分辨率XPS譜圖，原位光照前后TpBpy以及TpBpy/NaTaO₃的(d) C 1s 、(e) N 1s、(f) O 1s高分辨率XPS譜圖

研究工作利用3-氨丙基-三乙氧基硅烷在NaTaO₃納米立方體表面修飾氨基，并進一步通過席夫堿反應在NaTaO₃納米立方體表面生長TpBpy-COF，從而構筑了以共價鍵連接的TpBpy/NaTaO₃復合光催化劑。光催化產氫測試結果表明，在模擬太陽光照射下，復合光催化劑的最佳產氫活性達到了17.3 mmol·g^-1·h^-1，分別是單獨NaTaO₃以及TpBpy的173和2.4倍。圖1給出了TpBpy/NaTaO₃復合材料以及各單一材料中元素的精細XPS譜圖，圖a，b中Ta結合能的變化以及Ti-O-Si鍵的出現可以證明NaTaO₃表面成功修飾了氨基。圖c-f表明，無光照條件下，與純NaTaO₃相比，TpBpy/NaTaO₃的Ta 4f峰的結合能降低；而與純TpBpy相比，N 1s結合能以及O 1s結合能均升高，說明在非光照條件下，復合材料中二者緊密結合，并發生了電荷轉移，電子傾向于從TpBpy轉移至NaTaO₃。進一步通過原位光照XPS技術研究了復合材料在光反應過程中電子的轉移情況。可以看出，在光照條件下，復合材料中Ta 4f軌道XPS譜峰的結合能升高，說明在該過程中，NaTaO₃失去電子，結合理論計算結果，證實了該光反應過程的S型催化反應機理。

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：Huihui Zhang, Huajun Gu, Yamei Huang, Xinglin Wang, Linlin Gao, Qin Li, Yu Li, Yu Zhang, Yuanyuan Cui, Ruihua Gao*, Wei-Lin Dai*. J. Colloid Interface Sci., 2024, 664, 916-927.

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