光催化水分解制氢因其绿色的特性和能够解决世界能源危机的前景而引起了大量的研究兴趣。到目前为止，有多种半导体，已被开发用于分解水制备氢气。在这些催化剂中，CdS纳米晶体(NCs)由于其适当的带隙而被大量利用，然而与较慢的表面催化反应(毫秒到秒)相比，由于快速激子复合导致电荷分离不足，CdS NCs的光催化产氢率受到限制。
基于此，雪城大学郑伟威等人合成了Mn2+掺杂的具有Pt尖端的一维(1D)CdS纳米棒(NRs，1D Mn:CdS-Pt NRs)，用于快速光催化水分解制备氢气。本文将将合成的NRs在蓝光(405 nm，LED)的照射下进行了光催化水分解实验。测试结果表明，CdS NRs在8小时(9.4 mmol h-1 g-1)内产生120 mmol的氢气，内量子效率(IQE)为0.5%。Mn:CdS NRs在测试中则产生了149 mmol的氢气(19.8 mmol h-1 g-1)，IQE较大，为1.0%。在加入Pt后，1D Mn:CdS-Pt NRs显示出优异的产氢率，在8小时(287 mmol h-1 g-1)内，每克光催化剂产生1658 mmol的氢气，IQE为13.8%，这说明Pt和Mn2+的引入成功提高了CdS NRs的光催化产氢性能。更重要的是，研究人员发现，在Mn2+掺杂浓度为0.9％时，Mn:CdS-Pt NRs的光催化产率最高。但是当Mn2+浓度过高时(1.4％)，光催化产率下降，这是由于短程Mn-Mn相互作用导致的浓度淬灭效应。此外，当Pt反应时间增加到15分钟及以上时，会导致更大的Pt尖端以及在NRs两端形成Pt助催化剂。然而，这也会降低Mn:CdS NRs的光吸收能力和光催化性能。因此，最佳的条件是制备直径相似、两端都有Pt尖端的1D Mn:CdS NRs以实现高效的光吸收和相应的光催化水分解性能。此外，本文还以10小时为周期，在30小时内进行了循环实验，以评估催化剂的长期稳定性。在第二个和第三个10小时的循环测试中，每次循环的光催化产率分别为93%和83%，表明此一维光催化剂具有良好的可重复使用性。此外，通过分析电化学阻抗谱图可以发现，在CdS NRs内掺杂具有长寿命(~ms)的Mn2+后，由于CdS NRs到掺杂剂的能量转移，电荷转移电阻降低，而当电子从NRs转移到金属NPs后，Pt纳米粒子的阻抗进一步显著降低。结合表征和分析，本文得出了1D Mn:CdS-Pt NRs光催化产氢性能优异的主要原因：能量从1D CdS NRs转移到长寿命的Mn2+离子，然后电子转移到Mn:CdS-Pt NRs的亲水Pt尖端，这限制了CdS NRs中的快速电荷复合，进而提高了产氢速率。本文通过引入掺杂作为一维功能光催化剂的电荷转移桥梁的策略为促进高性能光催化剂的电子转移提供了新的思路。Facilitated Electron Transfer by Mn dopants in 1-Dimensional CdS Nanorods for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Generation, Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/d2ta08409k.https://doi.org/10.1039/D2TA08409K.
