Small: 揽光使者——二硫化钼光催化制氢的研究进展:从生长到界面改性

探索能源的可持续性和无污染是当今社会非常重要的问题。随着社会的高速高通量地发展,如互联网人工智能,超级计算机,新型电动车,微型化医疗等的发展,对能源的形式和耗费要求也越来越高。开发可持续性,高能量密度,甚至便携式的清洁能源技术将产生深远的长期效益。化石燃料的燃烧会产生大量的污染物气体,如氮氧化物、碳氧化物和硫氧化物等。很长一段时间以来,研究人员一直在努力寻找可再生和清洁的能源,以避免灾难性的气候变化。氢具有最大的能量密度,可以燃烧释放能量而不产生任何有害的副产品。而由太阳能到氢能所形成近乎完美的生产和循环路径一直被抱有非常大的前景和期待。这不单单是解决人们的日常需求,也同样增强了各国的能源安全,减少因化石能源危机而产生的国际矛盾和冲突,从而促进和谐地全球化发展,增强可持续性和减少污染。超薄二硫化钼二维材料是过渡金属硫化物体系中的典型材料,近年来受到广泛关注。二硫化钼具有明显的结构优势和光催化性能,已成为高活性产氢反应中铂的替代品。近期美国莱斯大学楼峻教授、电子科技大学王志明教授和台湾清华大学阙郁伦教授合作发表了一篇综述,系统评述了二硫化钼二维纳米材料在光致产氢领域的最新进展。相关文章发表在Small(DOI:10.1002/smll.201900578)上。

论文从二硫化钼的本身特性出发,论述近年来在光催化体系中,二硫化钼作为助催化剂和二硫化钼光-物质耦合作用方面产氢的研究进展。讨论了界面工程来控制局部相变和调控光学性能的机理;总结了产生近代光催化体系的多种方法,包括带边调制、结构修饰和相变。单纯地将二硫化钼作为与其他半导体的共催化作用只发挥了二维材料的部分优势,另一方面是探索二硫化钼直接作为光催化剂的的产氢能力。这促使人们对二硫化钼的合成、性能以及加氢等方面需要进行全面的研究。尽管单层二硫化钼具有合适的带隙和光催化制氢的活性位点,但其光催化性能仍然受到高激发复合比和光吸收的限制。等离激元纳米结构通过金属的等离激元作用,能够增强二硫化钼纳米片的光催化性,这为二硫化钼独立作为光催化剂提供了一种新的思路。可以简单地理解为金属受光的影响,电子迁移使得部分区域电子浓度非常高,有些电子能够注入到相接触的二硫化钼中,从而影响二硫化钼的能级结构。金属的表面等离激元是通过入射光激发,电子在导电材料表面上的集体振荡,使入射光进入亚波长,从而引起电磁场增强。等离激元纳米结构在原子层二硫化钼上的光-物质相互作用,其激子会被严格地限制在面内,从而能形成强束缚并形成共振。鉴于目前对新型二维材料的发现和应用的可扩展性研究兴趣很高,相信该进展报告能够对该领域研究人员提供帮助。