嵌入超薄硫化钼的核壳二氧化钛用于光解水制氢

纳米二氧化钛(TiO2)光催化剂在清洁能源再生和太阳光利用方面取得了很大的进展。然而,TiO2光催化剂中光生载流子的快速复合和较窄的吸收光谱仍然阻碍了TiO2的商业化应用。如何构筑有效的载流子分离通道、抑制电子空穴复合、实现更高的能量转换效率是当前的研究热点。具有层状结构的超薄二维纳米片(比如过渡金属硫化物、石墨烯、氮化硼等)近年来被发现许多奇异的性质并引起了人们极大的研究兴趣。硫化钼(MoS2)因其良好的电子传输能力和光响应强度,被广泛的利用于光催化制氢体系。但是是由于二维MoS2纳米片生长条件的特殊性,往往会造成纳米片堆积,形成块状MoS2,从而严重影响二维基面方向电子传输特性。因此,开发研究超薄MoS2纳米片成为新的研究热点,如能消除二维纳米片的堆积,MoS2的性能就可能得到有效提升。

上海师范大学资源化学教育部国际联合实验室李和兴&李贵生教授团队携手香港大学David Lee Phillips教授针对这一问题利用核壳结构TiO2对光催化过程中超薄MoS2的作用进行了探究:通过锂离子剥离的方法,成功制备具有高活性边的少层超薄硫化钼,并原位嵌入TiO2核壳结构体相中。超薄MoS2因其具有高的表面能,从而与TiO2形成了有效的电子传输通道,提高了载流子分离效率,进而提升了光催化制氢速率。核壳结构的TiO2有效抑制了体相中超薄MoS2的团聚与失活,而超薄MoS2暴露的活性边则提供了更多的活性位点,两者相得益彰。

研究结果表明,与块状MoS2相比,超薄MoS2作为电子受体有效的抑制了光生电子和空穴的复合,其活性边数增加,能有效促进电荷的分离。同时,超薄MoS2与核壳结构TiO2之间形成的紧密界面和化学键,保证了电子转移的稳定性,进而提高了光催析氢活性(2443 μmol g-1 h-1),相较于纯TiO2和块状MoS2修饰的TiO2,其活性分别提高了1000% 和470%。时间分辨荧光(ns-PL)动力学结果表明,将超薄MoS2嵌入到核壳结构TiO2中,可以有效加速电子迁移,缩短了电子的荧光寿命,证实了TiO2与超薄MoS2之间存在显著的电子转移和捕获过程。该工作也证明了均匀嵌入的二硫化钼薄片可以取代贵金属(Pt)作为促进光催化性能的助催化剂。

相关研究成果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201901958)上,题为“Edge-Enriched Ultrathin MoS2 Embedded Yolk-Shell TiO2 with Boosted Charge Transfer for Superior Photocatalytic H2 Evolution”。本文第一作者王文超,硕士毕业于上海师范大学物理化学专业,现于香港大学化学系攻读博士学位。