开发低成本、耐用的光催化剂用于无牺牲剂人工光合成过氧化氢是一项具有挑战性的任务。近期，湖北师范大学王楷副教授&香港城市大学刘斌教授等构建了一种全无机杂化纳米纤维阶梯型光催化剂WO₃/NiS（WONS），用于在环境条件下在纯水中高效生成过氧化氢。最佳光催化剂WONS35%（含35wt%的NiS）在可见光照射下以2.59mmol gcatalyst^-1 h^-1的速率产生H₂O₂，效率非常高，分别比原始WO₃和NiS的H₂O₂产生速率高11.3和16.7倍。WONS35%在420nm波长下表现出4.97%的表观量子产率。杂化纳米纤维光催化剂光催化性能的显著增强可归因于阶梯型路径诱导的快速电荷分离和转移以及高选择性双电子氧还原反应（ORR）的协同效应。

图1.（a）WO₃/NiS杂化纳米纤维的制备步骤示意图。（b）WO₃纳米纤维、（c）WO₃/Ni（OH）2和（d）WO₃/NiS杂化纳米纤维的TEM图像。（e）WO3/NiS杂化纳米纤维的HRTEM图像。（f）WO₃/NiS杂化纳米纤维的HAADF-STEM图像，以及（g）W、（h）O、（i）Ni和（j）S的相应EDX映射图像。

图2.（a）WO₃、NiS、WONS25%、WONS35%和WONS45%的拉曼光谱。（b）WO3、NiS和WONS35%的氮气吸附-解吸等温线。

图3.（a）WO₃、NiS、WONS25%、WONS35%和WONS45%的UV-vis漫反射光谱。（b）Tauc图。（c）WO₃纳米纤维和NiS纳米片的VB-XPS光谱以及（d）能带结构。

图4.（a）用乙醇作为牺牲试剂和（b）在纯水中，所制备的光催化剂光催化产生H₂O₂的情况。（c）WONS35%在不同气氛中光催化H₂O₂生成。（d）WONS35%循环光催化H₂O₂生成。（e）不同光催化剂在光照下分解H₂O₂（1mM）。（f）计算的H₂O₂的形成速率常数（Kf）和分解速率常数（Kd）。（g）WO₃、NiS和WONS35%的O2-TPD信号。（h）WO₃和WONS35%的Koutecky-Levich图。（i）在可见光照射下记录的WONS35%的原位DRIFTS光谱。

图5.（a）PL光谱。（b）TRPL光谱。（c）瞬态光电流响应。（d）WO₃、NiS和WONS35%的EIS光谱。

图6.（a）计算的（a）WO₃的（001）面和（b）NiS的（101）面的静电势。（c）WO₃/NiS异质结的电荷密度差。

图7.WO₃和WONS35%的（a）W4f和（b）O1s的XPS光谱。NiS和WONS35%的（c）Ni2p和（d）S2p的XPS光谱。

图8.（a）添加不同清除剂对H₂O₂生成的影响。（b）WO₃、NiS和WONS35%在10分钟辐照下产生的•O2-的EPR光谱。（c）WO₃/NiS异质结的示意图：内部电场（IEF）诱导的电荷转移、分离以及在辐照下形成的阶梯型异质结。

该工作以“Sacrificial-agent-free artificial photosynthesis of hydrogen peroxide over step-scheme WO3/NiS hybrid nanofibers”为题发表在《Applied Catalysis B: Environmental》（DOI:10.1016/j.apcatb.2023.123349）上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123349