Effiziente sichtbare-Licht-Wasserstofferzeugung mit Eosin Y-sensibilisiertem g-C₃N₄/GO-Hybrid, beladen mit PtNi-Legierungs-Co-Katalysator

Zusammenfassung

Die Kombination eines Platin-Nickel-(PtNi)-Legierungs-Co-Katalysators mit einem g-C₃N₄/Graphenoxid (GO)-Hybrid, sensiblisiert durch den organischen Farbstoff Eosin Y, liefert eine beispiellose Wasserstoffentwicklungsrate von 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹ unter sichtbarer Lichtbestrahlung. Die PtNi-Legierung, synthetisiert durch einen unkomplizierten chemischen Reduktions- und sonochemischen Ansatz, reduziert die Pt-Beladung bei Erhaltung der katalytischen Aktivität. Vergleichende Studien zeigen, dass das PtNi-System 1,54-mal aktiver ist als reines Pt und 1.178-mal aktiver als reines Ni, was die synergistische Wechselwirkung hervorhebt, die den Elektronentransfer fördert und reaktive Stellen erhöht. Photolumineszenz-Quenching und transiente Photostrommessungen bestätigen, dass die Legierung die Ladungsträgertrennung verbessert, wodurch die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) effizient angetrieben wird.

Hintergrund

Solar-getriebene Wasserstofferzeugung bietet eine saubere Alternative zu fossilen Brennstoffen. Um diese Technologie praktisch zu machen, sind ein sichtbar-licht-empfindlicher Photokatalysator und ein effizienter, kostengünstiger Co-Katalysator essenziell. Während Edelmetall Pt hochwirksam ist, motivieren seine Knappheit und Kosten die Entwicklung bimetallischer Legierungen, die einen Teil des Pt durch billigere Übergangsmetalle wie Ni ersetzen. Frühere Studien zu PtNi- oder PtCo-Legierungen auf Halbleiter-Hosts haben vergleichbare oder überlegene HER-Aktivität demonstriert. Hier berichten wir über die erste Verwendung eines Eosin Y-sensibilisierten g-C₃N₄/GO-Hybrids, dekoriert mit einer PtNi-Legierung, der rekordbrechende Wasserstoffentwicklung aus Wasser unter simuliertem Sonnenlicht erreicht.

Materialien und Methoden

Herstellung von g-C₃N₄ und GO

Polymeres g-C₃N₄ wurde durch thermische Kondensation von Harnstoff bei 600 °C für 2 h erhalten. GO wurde über ein modifiziertes Hummers-Verfahren synthetisiert und gefriergetrocknet. Der g-C₃N₄/GO-Komposit (Massenverhältnis 2:1) wurde ultraschallgestützt in Wasser dispergiert, um intimen Kontakt zu fördern.

PtNi-Legierungs-Abscheidung

Pt- und Ni-Salze wurden einer anhydren Ethanoldispersion von g-C₃N₄ zugegeben, gefolgt von NaBH₄-Reduktion. Gleichzeitige Beladung von Pt und Ni (1:1 Molverhältnis) ergab gleichmäßig verteilte PtNi-Nanopartikel (durchschnittlicher Durchmesser <5 nm) auf der g-C₃N₄/GO-Matrix. Der resultierende Komposit (PtNi/GO-0,5 %) wurde gesammelt, gewaschen und bei 60 °C getrocknet.

Photokatalytische Tests

Die Wasserstoffentwicklung wurde in einem Pyrex-Reaktor gemessen, der 100 mL einer 20 % (V/V) Triethanolamin (TEOA) wässrigen Lösung (pH = 7) mit 50 mg Photokatalysator und 50 mg Eosin Y enthielt. Eine 300-W-Xenonlampe (λ > 420 nm) beleuchtete die Suspension, und H₂ wurde durch Gaschromatographie quantifiziert.

Ergebnisse und Diskussion

Strukturelle Charakterisierung

Röntgendiffraktion bestätigte die graphit-ähnliche Struktur von g-C₃N₄ (2θ = 13,8° und 27,4°). TEM-Bilder zeigten eine dünne, geschichtete Morphologie und bestätigten das Vorhandensein kleiner, gut dispergierter PtNi-Nanopartikel. XPS-Analyse zeigte Pt in einem nahe-null Oxidationszustand, während Ni eine leichte Verschiebung zu niedrigerer Bindungsenergie aufwies, was auf Legierungsbildung hinweist. Das Pt:Ni-Verhältnis wurde durch XPS als 9:11 bestimmt, nahe am angestrebten 1:1 Molverhältnis.

Wasserstoffentwicklungsleistung

Der PtNi/GO-0,5 % Komposit erreichte 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹ und übertraf Pt/GO (3,82 mmol g⁻¹ h⁻¹) und Ni/GO (0,005 mmol g⁻¹ h⁻¹). Die Optimierung des Pt/Ni-Verhältnisses zeigte ein Maximum bei 1:1; eine Erhöhung des Ni über dieses Verhältnis reduzierte die HER-Aktivität aufgrund eines Verlusts an Pt-aktiven Stellen. Die optimale PtNi-Beladung betrug 0,5 Gew.-% relativ zur g-C₃N₄/GO-Matrix; höhere Beladungen behinderten die Lichtabsorption und verringerten die Leistung leicht.

Stabilität

Vier aufeinanderfolgende 4-stündige Bestrahlungszyklen zeigten nur einen <5 % Abfall in der H₂-Produktion, was gute Photostabilität demonstriert, zugeschrieben dem robusten g-C₃N₄-Gerüst und kovalent gebundenem Eosin Y.

Mechanistische Einblicke

Diffusreflexions-UV-Vis-Spektren zeigten, dass die PtNi-Legierung die Ladungstrennung verbessert anstatt die Lichtabsorption. Photolumineszenz-Quenching und transiente Photostrommessungen bestätigten die effizienteste Elektron-Loch-Trennung im PtNi/GO-System, korrelierend mit der höchsten HER-Rate. Ein vorgeschlagener photokatalytischer Zyklus involviert Elektronentransfer von angeregtem Eosin Y zu g-C₃N₄/GO und dann zur PtNi-Legierung, wo Protonen zu H₂ reduziert werden. Löcher oxidieren das Opferelektronendonator TEOA.

Schlussfolgerung

Die Studie demonstriert, dass ein PtNi-Legierungs-Co-Katalysator, synthetisiert über einen einfachen Reduktions-/Sonikationsweg, die sichtbare-Licht-photokatalytische Wasserstoffentwicklung auf einem Eosin Y-sensibilisierten g-C₃N₄/GO-Hybrid dramatisch steigert. Mit einer Rate von 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹ bietet dieses System eine kosteneffektive Alternative zu reinem Pt und ebnet den Weg für skalierbare, nachhaltige Wasserstoffproduktion.