Solar RRL: TiO2(B)纳米片/金属相MoS2杂化纳米结构:一种高效光催化产氢催化剂

TiO2纳米材料因具有良好的化学稳定性、低毒性、廉价易得等优点而在光催化领域受到了人们的广泛关注。然而,作为光催化材料,TiO2存在带隙较宽、载流子迁移距离较短及产氢动力学缓慢等缺点,严重阻碍了TiO2光催化产氢的商业化。如何有效促进光生载流子的分离与迁移、提高光生载流子的利用效率是TiO2光催产氢研究方向关注的热点问题之一。载流子的分离与迁移受晶体结构、结晶度和颗粒度等因素影响,可通过改变半导体催化剂的形貌、尺寸和结晶性等手段来减小载流子催化剂体相中的复合。另一方面,即使光生载流子迁移到了半导体表面,且具有足够的热力学势能来促使光催化产氢反应发生,但半导体表面活性位点的反应动力学过程较慢,从而导致迁移到表面的大部分光生载流子最终复合。因此,需加入助催化剂来提高光生载流子在表面的反应动力学。目前光催化产氢的助催化剂主要为Pt,但其价格高昂且储量极低,从而限制了其在光催化产氢中的广泛应用。金属相MoS2具有丰富的析氢活性位点和优异析氢动力学,使其析氢性能可以和Pt相媲美,因此是一种具有潜力的光催化析氢助催化剂。

TiO2具有四种晶体结构,分别为四方晶系的锐钛矿相(空间群为I41/amd)、四方晶系金红石相(空间群为P42/mnm)、正交晶系的板钛矿相(空间群为Pbca)及单斜晶系的TiO2(B)相(空间群为C2/m)。其中TiO2(B)作为最晚发现的相,目前关于TiO2(B)的研究主要集中在锂离子电池中,而在光催化领域中受到的关注较少。然而,TiO2(B)具有天然的[010]通道,有利于离子和小分子扩散;且其特殊的晶体结构势必导致不同于其它相的电子结构和表面能,极可能具有优异的产氢性能。

陕西师范大学江瑞斌课题组针对这些问题,设计并合成了一种TiO2(B)纳米片/金属相MoS2杂化纳米结构,实现了高效、成本低廉的光催化析氢。相关结果发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201900323)上。

研究结果表明,所制备的TiO2(B)纳米片的厚度极薄,从而有效缩短了光生载流子的传输距离,抑制了光生载流子的体内复合几率。同时,与锐钛矿相TiO2相比,TiO2(B)纳米片具有较高导带带边,从而具有更大的产氢驱动力。另外,高表面能的(010)表面有助于形成氧空位,增强TiO2(B)纳米片在可见光区的光催化活性。因此,所制备的TiO2(B)纳米片比商用p25的光催化析氢活性高一个数量级。进一步引入金属相MoS2形成杂化结构后,光催化活性进一步提高了约14倍,产氢速率达到1444 μmol g-1 h-1。光催化性能的提升归因于金属相MoS2具有优异的析氢动力学,同时极大地促进了TiO2(B)的电荷分离。