Efficiënte Zichtbare-Licht Waterstofproductie met Eosine Y-gesensibiliseerd g-C3N4/GO Hybride Geladen met PtNi Legering Co-katalysator

Samenvatting

De combinatie van een platina-nikkel (PtNi) legering co-katalysator met een g-C₃N₄/grafene oxide (GO) hybride, gesensibiliseerd door de organische kleurstof Eosine Y, levert een ongekende waterstofevolutiesnelheid van 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹ onder zichtbare-licht bestraling. De PtNi legering, gesynthetiseerd via een eenvoudige chemische reductie en sonochemische benadering, verlaadt de Pt-lading behoudend de katalytische activiteit. Vergelijkende studies tonen aan dat het PtNi systeem 1,54× actiever is dan zuiver Pt en 1.178× actiever dan zuiver Ni, wat de synergistische interactie benadrukt die elektronenoverdracht bevordert en reactieve plaatsen verhoogt. Fotoluminescentie kwelling en tijdelijke fotostroommetingen bevestigen dat de legering ladingsdrager scheiding verbetert, waardoor de waterstofevolutiereactie (HER) efficiënt wordt gedreven.

Achtergrond

Zon-gedreven waterstofgeneratie biedt een schone alternatief voor fossiele brandstoffen. Om deze technologie praktisch te maken, zijn een zichtbaar-licht responsieve fotokatalysator en een efficiënte, goedkope co-katalysator essentieel. Hoewel edelmetaal Pt hoogst effectief is, motiveren zijn schaarste en kosten de ontwikkeling van bimetallische legeringen die een deel van Pt vervangen door goedkopere overgangsmetaalen zoals Ni. Eerdere studies over PtNi of PtCo legeringen op semiconductor hosts hebben vergelijkbare of superieure HER activiteit gedemonstreerd. Hier rapporteren we de eerste toepassing van een Eosine Y-gesensibiliseerd g-C₃N₄/GO hybride versierd met een PtNi legering, bereikend record-breukende waterstofevolutie uit water onder gesimuleerd zonlicht.

Materialen en Methodes

Bereiding van g-C₃N₄ en GO

Polymeerachtig g-C₃N₄ werd verkregen door thermische condensatie van ureum bij 600 °C gedurende 2 uur. GO werd gesynthetiseerd via een gemodificeerde Hummers' methode en vriesgedroogd. Het g-C₃N₄/GO composiet (massaverhouding 2:1) werd ultrasoon gedispergeerd in water om intiem contact te bevorderen.

PtNi Legering Depositie

Pt en Ni zouten werden gezamenlijk toegevoegd aan een anhydre ethanol dispersie van g-C₃N₄, gevolgd door NaBH₄ reductie. Gelijktijdige lading van Pt en Ni (1:1 molaire verhouding) leverde uniform verdeelde PtNi nanopartikels (gemiddelde diameter <5 nm) op het g-C₃N₄/GO matrix. Het resulterende composiet (PtNi/GO-0,5%) werd verzameld, gewassen, en gedroogd bij 60 °C.

Fotokatalytische Tests

Waterstofevolutie werd gemeten in een Pyrex reactor bevattende 100 mL van 20% (v/v) triethanolamine (TEOA) waterige oplossing (pH = 7) met 50 mg fotokatalysator en 50 mg Eosine Y. Een 300-W xenonlamp (λ > 420 nm) verlichtte de suspensie, en H₂ werd gekwantificeerd door gaschromatografie.

Resultaten en Discussie

Structuurkarakterisering

Röntgendiffractie bevestigde de grafiet-achtige structuur van g-C₃N₄ (2θ = 13,8° en 27,4°). TEM afbeeldingen onthulden een dunne, gelaagde morfologie en bevestigden de aanwezigheid van kleine, goed-gedispergeerde PtNi nanopartikels. XPS analyse toonde Pt in een nabij-nul oxidatietoestand, terwijl Ni een lichte verschuiving naar lagere bindingsenergie vertoonde, wat op legeringvorming duidt. De Pt:Ni verhouding werd bepaald als 9:11 door XPS, dicht bij de beoogde 1:1 molaire verhouding.

Waterstofevolutie Prestaties

Het PtNi/GO-0,5% composiet bereikte 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹, wat Pt/GO (3,82 mmol g⁻¹ h⁻¹) en Ni/GO (0,005 mmol g⁻¹ h⁻¹) overtrof. Optimalisatie van de Pt/Ni verhouding onthulde een maximum bij 1:1; het verhogen van Ni verder dan deze verhouding verlaagde HER activiteit door verlies van Pt actieve plaatsen. De optimale PtNi lading was 0,5 wt% ten opzichte van de g-C₃N₄/GO matrix; hogere ladingen hinderten lichtabsorptie en verlaagden de prestaties lichtjes.

Stabiliteit

Vier opeenvolgende 4-urige bestralingscycli toonden slechts een <5% daling in H₂ productie, wat goede fotostabiliteit aantoont toegeschreven aan het robuuste g-C₃N₄ framework en covalente gebonden Eosine Y.

Mechanistische Inzichten

Diffuse-reflectie UV-Vis spectra toonden aan dat de PtNi legering ladingsscheiding verbetert in plaats van lichtabsorptie. Fotoluminescentie kwelling en tijdelijke fotostroommetingen bevestigden de meest efficiënte elektronen-gaten scheiding in het PtNi/GO systeem, correlerend met de hoogste HER snelheid. Een voorgesteld fotokatalytisch cyclus omvat elektronenoverdracht van geëxciteerde Eosine Y naar g-C₃N₄/GO en vervolgens naar de PtNi legering, waar protonen gereduceerd worden tot H₂. Gaten oxideeren het offer TEOA.

Conclusie

De studie demonstreert dat een PtNi legering co-katalysator, gesynthetiseerd via een eenvoudige reductie/sonicatie route, de zichtbaar-licht fotokatalytische waterstofevolutie op een Eosine Y-gesensibiliseerd g-C₃N₄/GO hybride dramatisch verhoogt. Met een snelheid van 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹ biedt dit systeem een kosteneffectieve alternatief voor zuiver Pt, de weg banend voor schaalbare, duurzame waterstofproductie.