近日，大连大学环境与化学工程学院徐振和教授团队在国际期刊《RSC Advances》上发表题目为“Dodecahedral hollow multi-shelled Co3O4/Ag:ZnIn2S4 photocatalyst for enhancing solar energy utilization”的研究论文。该工作以大连大学为第一通讯单位，徐振和教授为通讯作者，硕士研究生梁峙满为该论文的第一作者。
利用中空多壳结构材料建立异质结是解决光催化剂光能利用率低和光生载流子复合严重的重要手段。氧化钴（Co3O4）因其优异的催化性能、热力学稳定和环境友好等优点而引起研究人员的极大关注。然而，当其直接应用于光催化产氢时面临着氧化还原电位不足和严重的电荷重组等问题，因此在光催化应用上受到极大的限制。近日，徐振和教授团队提出了一个有效的策略，通过采用简单的水浴法在十二面体中空多壳Co3O4表面原位生长具有更广泛光吸收的Ag掺杂ZnIn2S4纳米片，成功的合成了具有更高效光催化性能的十二面体中空多壳Co3O4/Ag:ZnIn2S4复合光催化剂（Co3O4/AZIS）。与单独的十二面体中空多壳Co3O4相比，所制备的Co3O4/AZIS复合光催化剂的光催化性能显著提高（图1）。
图 1 Co3O4/AZIS光催化剂的合成方案
TEM图像表明，经热处理的样品由于ZIF-67骨架的部分坍塌和断裂，Co3O4显示出中空三壳结构和粗糙的表面（图2B）。图2C可以观察到，水浴法合成异质结后，Co3O4/AZIS复合光催化剂的结构保持稳定，没有出现明显坍塌，其中晶格距离为0.32nm，属于ZIS的（102）平面（图2D），表明成功形成了Co3O4/AZIS复合光催化剂。Co3O4/AZIS复合光催化剂的元素映射图、EDX图表明复合光催化剂由Co, O, Zn, In, S, 以及Ag组成（图3）。
图 2 （A）ZIF-67，（B）Co3O4，和（C）Co3O4/90.0 wt% AZIS的TEM图像。（D）Co3O4/90.0 wt% AZIS的HRTEM图像。
图 3 （A） Co3O4/90.0 wt% AZIS的HAADF-STEM图像，（B-G） Co、O、Zn、In、S、Ag的相应元素映射图像，（H）对应的EDX谱。（I） Co3O4、AZIS、Co3O4/AZIS的XRD谱图。
评估了催化剂的光催化产氢和光降解甲基橙（MO）性能。从图4中可以看出，Co3O4/AZIS具有良好的光催化产氢性能（Co3O4/90.0 wt% AZIS的产氢速率为695.0 μmol h-1 g-1），优异的光降解MO性能（Co3O4/90.0 wt% AZIS的光降解MO速率为0.1406 min-1）。与单一的相比Co3O4具有明显优势，并且具有长达100 h的催化稳定性，确保其可以作为双功能催化剂稳定、高效的进行催化反应。
图 4 （A）可见光照射下Co3O4和Co3O4/AZIS的光催化制氢情况；（B）相应的光催化制氢速率；（C） Co3O4/90.0 wt% AZIS光催化制氢的稳定性研究。（D） Co3O4和Co3O4/AZIS的光催化MO降解曲线；（E）相应的MO光催化降解速率；（F） Co3O4/90.0 wt% AZIS光催化降解MO的稳定性研究。
光电化学表征表明（图5），在总共10个开/关灯循环中，Co3O4/90.0 wt% AZIS具有比Co3O4更高的瞬态光电流，表明Co3O4与AZIS形成的异质结能有效促进光生载流子的快速分离与迁移。此外，电化学阻抗测试进一步支持了这一观点。
图 5 （A） Co3O4和Co3O4/90.0 wt % AZIS的瞬态光电流响应图和（B）奈奎斯特图。
本工作采用简单水浴法制备了一种新型的十二面体中空多壳Co3O4/AZIS光催化剂，用于光催化制氢和MO降解。机理分析表明，Co3O4与AZIS之间形成的II型异质结构能有效促进光生载流子分离，提高光催化性能。与十二面体中空多壳Co3O4相比，十二面体中空多壳Co3O4/AZIS光催化剂具有显著增强的光催化活性。该研究不仅为在十二面体中空多壳材料表面上原位生长AZIS纳米片提供了一种简单的策略，而且为开发低成本钴基催化剂提供了有用的见解。
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ra/d3ra08425f
通讯作者简介：
徐振和，男，教授，硕士研究生导师，辽宁省 “兴辽英才”青年拔尖人才、辽宁省“百千万人才工程”千人层次人选、大连市高端人才。2011年7月毕业于中国科学院长春应用化学研究所，获理学博士学位。2013.03-2016.04在加拿大魁北克大学、国立科学研究院做博士后的研究工作。曾获得中国科学院朱李月华优秀博士生奖学金(2011)和中国科学院优秀毕业生荣誉称号(2011)。近年来，一直从事稀土功能材料和半导体光催化相关领域的研究，致力于开发新型太阳光下高效工作的光催化材料，实现太阳能到化学能的转化，如光催化分解水制氢气、光催化CO2还原、光催化分解有机污染物等。在实现宽光谱吸收、提升光生电荷的分离转移等方面取得了一系列的进展，为设计与构筑高效太阳能光催化材料提供科学指导和有力的技术支撑。目前，共发表学术论文100余篇，其中影响因子>10论文9篇，影响因子>5论文20余篇，多篇文章被选为Front Cover、Inside Front Cover和Inside Back Cover并作为亮点被ACS News, Materials Views和X-MOL等科技媒体报道；应邀撰写一部专著中的一章节；研究成果受到国内外同行的高度关注，共被他人引用4000余次，SCI“H-index”为27（数据来自Web of Science），3篇论文被选为“ESI高被引论文”，5篇论文单篇他引次数超过100次。受邀在Coordination Chemistry Reviews 、Chemistry-A European Journal、Nanophotonics、Journal of Materiomics 等期刊邀请撰写相关主题综述文章和研究进展；申请人担任ACS，Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Chem. Commun., 等几十个著名期刊的特邀审稿人和仲裁专家；受邀在中国化学会年会、加拿大化学会年会、Materials Research Society年会、ACS年会等国内外学术会议上做邀请报告10余次；先后主持承担国家自然科学基金2 项、省部级项目6项；近年来获得的荣誉包括：辽宁省科学技术奖励---自然科学二等奖（2019年度，排名第一），辽宁省 “兴辽英才”青年拔尖人才，辽宁省“百千万人才工程”千层次人才计划（2017年度），辽宁省高等学校创新人才（2017年度），沈阳市中青年科技创新人才（2018年度），沈阳市优秀科技工作者（2020年度），中国科学院优秀毕业生（2011年度），朱李月华优秀博士生奖学金（2011年度）。
