S‐Scheme g‐C3N4/CdS Heterostructures Grafting Single Pd Atoms for Ultrafast Charge Transport and Efficient Visible‐Light‐Driven H2 Evolution

材料科学 异质结 可见光谱 电荷(物理) 超短脉冲 光电子学 光学 物理 激光器 量子力学
作者
Rongjie Li,Huaxing Li,Xidong Zhang,Bowen Liu,Binglan Wu,Bicheng Zhu,Jiaguo Yu,Gang Liu,Lirong Zheng,Qingdao Zeng
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (38) 被引量:79
标识
DOI:10.1002/adfm.202402797
摘要

Abstract Emerging step‐scheme (S‐scheme) heterostructures hold unique superiority in steering directional charge transport and reinforcing redox capacity, yet rational modification of S‐scheme heterostructures by single atoms (SAs) for efficient photocatalytic H2 evolution is rarely reported. In this work, Pd SAs‐modulated organic–inorganic g‐C3N4/CdS S‐scheme heterostructures are designed and prepared by a one‐pot mechanochemical approach allowing for g‐C3N4 nanosheets/CdS nanoparticles to confine atomically dispersed Pd co‐catalysts. The g‐C3N4/CdS S‐scheme charge‐transfer pathway is corroborated by a combination of in situ irradiated X‐ray photoelectron spectroscopy, electron paramagnetic resonance, and Kelvin probe force microscopy. Density functional theory (DFT) calculations, high‐angle annular dark‐field scanning transmission electron microscopy, and X‐ray absorption fine structure identify Pd‐S3 and Pd‐N2 atomic moieties underpinned by the electronic interaction between Pd SAs and g‐C3N4/CdS heterostructures, in which the d‐band center of Pd SAs is optimized for proton adsorption thermodynamically. Further, the g‐C3N4/CdS S‐scheme heterostructures alongside Pd SAs in concert boost the rapid migration of photogenerated electrons (1.05 ps) via Pd─S and Pd─N bond‐derived channels. A maximal H2 evolution rate of 85.66 mmol h−1 g−1 is achieved by 1 wt% Pd‐20 wt% g‐C3N4/CdS hierarchical composites. This work may guide the design of high‐efficiency S‐scheme‐based photocatalysts for solar‐to‐H2 conversion and beyond.
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