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2D/2D covalent organic framework/CdS Z-scheme heterojunction for enhanced photocatalytic H2 evolution: Insights into interfacial charge transfer mechanism

材料科学 机制(生物学) 异质结 电荷(物理) 光催化 共价键 纳米技术 化学物理 光电子学 化学工程 化学 催化作用 有机化学 物理 量子力学 工程类
作者
Ruiqi Gao,Junxian Bai,Rongchen Shen,Lei Hao,Can Huang,Lei Wang,Guijie Liang,Peng Zhang,Xin Li
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier BV]
卷期号:137: 223-231 被引量:116
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2022.09.001
摘要

• The 2D/2D COF/CdS Z-scheme heterojunction was first reported. • The Z-scheme charge transfer pathways were first identified by Femtosecond transient absorption. • The excellent photocatalytic hydrogen evolution was achieved. • The improved charge separation and hydrogen-evolution kinetics were confirmed. Covalent organic frameworks (COFs) with high crystallinity and flexible designability have been considered as promising candidates for photocatalytic hydrogen evolution. However, the existence of unpropitious exciton effects in COFs leads to poor charge separation, and thus results in low photocatalytic efficiency. Herein, to improve the photoelectron migration efficiency, we designed a 2D/2D organic/inorganic direct Z-scheme COF-based heterojunction (TpTAP/CdS), by the in-situ growing of CdS nanosheets on the COF copolymerized via 2,4,6-tris(4-aminophenyl)-1,3,5-triazine (TAP) and 1,3,5-triformylphloroglucinol (TP). The femtosecond transient absorption (fs-TAS) decay kinetics of TpTAP-COF and TpTAP/CdS further reveal the processes of shallow electron trapping and the recombination of the free photogenerated electron-hole pairs. In particular, the transient absorption traces for TpTAP-COF and TpTAP/CdS normalized to the photoinduced absorption peak can effectively verify the Z-scheme charge transfer between TpTAP-COF and CdS, which could enhance the charge mobility and separation, thus reducing the photocorrosion of CdS. Additionally, ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), in-situ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transient photovoltage measurements, and Electron spin resonance spectroscopy (ESR) further confirm the establishment of the internal electric field (IEF). This work demonstrates the important role of COFs in the construction of 2D/2D organic/inorganic direct Z-scheme heterojunctions and offers a new avenue to explain the criticality of dynamics of the photogenerated carriers for the construction of Z-scheme heterojunctions.
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