PtNi合金共催化剂负载的Eosin Y敏化g-C₃N₄/GO杂化体高效可见光制氢

摘要

将铂镍（PtNi）合金共催化剂与g-C₃N₄/氧化石墨烯（GO）杂化体结合，经有机染料Eosin Y敏化，在可见光照射下实现高达5.89 mmol·g⁻¹·h⁻¹的前所未有的析氢速率。PtNi合金通过简单化学还原和声化学方法合成，在保持催化活性的同时减少Pt用量。对比研究显示PtNi体系活性为纯Pt的1.54倍、纯Ni的1178倍，凸显促进电子转移和增加活性位点的协同作用。光致发光猝灭和瞬态光电流测量证实合金增强载流子分离，从而高效驱动析氢反应（HER）。

背景

太阳能驱动制氢为化石燃料提供清洁替代。要使该技术实用，可见光响应光催化剂和高效低成本共催化剂必不可少。贵金属Pt虽高效，但稀缺昂贵，推动开发用廉价过渡金属如Ni替代部分Pt的双金属合金。前人研究PtNi或PtCo合金在半导体载体上展示可比或优越HER活性。本文首次报道Eosin Y敏化g-C₃N₄/GO杂化体装饰PtNi合金，在模拟阳光下从水中实现创纪录析氢。

材料与方法

g-C₃N₄和GO制备

尿素600 °C热缩合2小时得聚合g-C₃N₄。改良Hummers法制备GO并冻干。g-C₃N₄/GO复合物（质量比2:1）超声分散于水促进紧密接触。

PtNi合金沉积

Pt和Ni盐共加入g-C₃N₄无水乙醇分散液，NaBH₄还原。Pt和Ni同时负载（摩尔比1:1）在g-C₃N₄/GO基质上生成均匀分布的PtNi纳米颗粒（平均直径<5 nm）。所得复合物（PtNi/GO-0.5%）收集、洗涤、60 °C干燥。

光催化测试

石英反应器中100 mL 20%（体积比）三乙醇胺（TEOA）水溶液（pH=7）含50 mg光催化剂和50 mg Eosin Y。300 W氙灯（λ>420 nm）照射悬浮液，气相色谱定量H₂。

结果与讨论

结构表征

X射线衍射确认g-C₃N₄石墨样结构（2θ=13.8°和27.4°）。透射电镜显示薄层层状形貌，确认小尺寸、良好分散PtNi纳米颗粒。XPS分析显示Pt近零价态，Ni结合能轻微负移，表明合金形成。XPS测得Pt:Ni比为9:11，接近目标1:1摩尔比。

析氢性能

PtNi/GO-0.5%复合物达5.89 mmol·g⁻¹·h⁻¹，优于Pt/GO（3.82 mmol·g⁻¹·h⁻¹）和Ni/GO（0.005 mmol·g⁻¹·h⁻¹）。优化Pt/Ni比揭示1:1时最大；超出此比例增加Ni因Pt活性位点减少降低HER活性。最优PtNi负载量为相对g-C₃N₄/GO基质0.5 wt%；更高负载阻碍光吸收略微降低性能。