Synergy of Dopants and Defects in Porous ZnIn2S4 Nanoflakes for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution

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作者
Ming Du,Jingyu Cao,Dahua Ren,Yuan Zhang,Teng Zhang,Liushun Wang,Yongdan Zhu,Jian Zhang,Xing’ao Li,Jinqiao Yi
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:8 (8): 3954-3963 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c06775
摘要

Designing and fabricating photocatalysts with abundant intrinsic active sites and a fast carrier separation capability remains a great challenge for efficient photocatalytic hydrogen evolution reactions (PHERs). In this paper, cobalt (Co) cations are incorporated into two-dimensional (2D) porous ZnIn2S4 nanoflakes by a controllable cation-exchange-mediated strategy, and self-adapting S vacancies (Vs) are rationally constructed to stimulate catalytic activity on the inert basal plane. The surface state of ZnIn2S4 nanoflakes is regulated by the Vs structure and doped Co atoms through a surface modification strategy to achieve an efficient PHER. Theoretical calculations and experimental results show that by introducing Co dopants into ZnIn2S4, Co preferentially replaces Zn atoms and induces the generation of abundant Vs, thus optimizing the adsorption energy of the reaction intermediate (H*) and enhancing the PHER dynamics. The Co dopants and Vs show dominant synergistic effects in modulating the regional charge separation and activating the inert basal plane. More importantly, the optimal PHER rate of Co-ZnIn2S4 reaches 1.20 mmol g–1 h–1, which is 5.2 times higher than that of the pristine ZnIn2S4 nanoflakes. In addition, this robust 2D porous configuration guarantees the stability of the catalytic reaction. The present work gives an expandable direction for enhancing the photocatalytic activity of the basal plane on transition metal sulfides.
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