劉忠范

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

(a) Au/TiO2/MoS2復(fù)合樣品的SEM和TEM表征。(b) Au/TiO2/MoS2復(fù)合樣品的EDX表征。(c) Au/TiO2/MoS2復(fù)合樣品的光催化產(chǎn)氫活性。(d) Au/TiO2/MoS2復(fù)合樣品的瞬時(shí)光電流響應(yīng)

自從Fujishima和Honda1首次報(bào)道在二氧化鈦電極上光電分解水產(chǎn)氫后，光催化反應(yīng)作為一種清潔、廉價(jià)和環(huán)境友好的產(chǎn)氫方式引起人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。在各種氧化物半導(dǎo)體材料中，TiO2成本低廉、無二次污染、具有極強(qiáng)的氧化還原能力、耐光學(xué)和化學(xué)腐蝕性能以及穩(wěn)定性，是一種適宜的光催化材料2。然而，純的TiO2光催化產(chǎn)氫活性較弱，主要有兩方面的原因：(1) 可見光利用率低；(2) 光生電子和空穴易復(fù)合，因此需要與其它材料復(fù)合或者摻雜，來提高其光催化性能。貴金屬Au在光照時(shí)，其電子共振會(huì)產(chǎn)生局部表面等離子共振效應(yīng)，該效應(yīng)能增強(qiáng)Au對(duì)可見光的吸收3,4?；贏u這一獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，研究者發(fā)展出了由TiO2半導(dǎo)體材料和Au納米顆粒組成的Au/TiO2等離子體復(fù)合光催化劑，將其用光催化水解產(chǎn)氫5,6，并且顯示出了增強(qiáng)的催化活性。然而，在光照下，Au由于等離子共振效應(yīng)產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到了TiO2導(dǎo)帶，同時(shí)，TiO2價(jià)帶上的電子被激發(fā)后也躍遷至導(dǎo)帶，大量電子堆積在TiO2表面，增加了光生電子空穴對(duì)的復(fù)合機(jī)率，限制了其能量轉(zhuǎn)換效率。為了進(jìn)一步提高Au/TiO2系統(tǒng)的光催化產(chǎn)氫活性，需要有效促進(jìn)光生電子空穴對(duì)的分離。

最近，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院向全軍課題組設(shè)計(jì)制備出了一種Au/TiO2/MoS2等離子體復(fù)合光催化劑，具有較高的光催化產(chǎn)氫活性(高達(dá)708.85 μmol·h-1)。相比Au/TiO2兩相復(fù)合等離子體光催化劑，該Au/TiO2/MoS2三相復(fù)合樣品光催化活性增強(qiáng)的原因主要是由于半導(dǎo)體材料MoS2與TiO2納米片的存在。層狀半導(dǎo)體材料MoS2，具有與TiO2錯(cuò)位的能帶結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)TiO2上光生電子空穴對(duì)的分離，同時(shí)，MoS2暴露邊緣的硫原子能與溶液中的H+強(qiáng)烈結(jié)合，被結(jié)合的H+可以被電子還原為氫氣7。采用TiO2納米片與MoS2兩種不同的二維層狀材料復(fù)合，形成面-面接觸的二維層狀結(jié)構(gòu)，增大了TiO2與MoS2的接觸面積，加快了界面電荷轉(zhuǎn)移速率，有效提高了Au/TiO2系統(tǒng)的光催化活性。作者通過樣品的瞬時(shí)光電流響應(yīng)和阻抗譜進(jìn)一步確認(rèn)，Au/TiO2/MoS2三相復(fù)合樣品具有較高的電子空穴轉(zhuǎn)移效率。

(1) Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238, 37. doi: 10.1038/238037a0

(2) Xiang, Q. J.; Lv, K.; Yu, J. G. Appl. Catal. B:Environ. 2010, 96, 557. doi: 10.1016/j.apcatb.2010.03.020

(3) Zhang, L.; Blom, D. A.; Wang, H. Chem. Mate. 2011, 23, 4587. doi: 10.1021/cm202078t

(4) Lee, J. E.; Bera, S.; Choi, Y. S.; Lee, W. I. Appl. Catal. B: Environ. 2017, 214, 15. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.05.025

(5) Jovic, V.; Chen, W. T.; Sun, D. X.; Blackford, M. G.; Idriss, H.; Waterhouse, G. I. N. J. Catal. 2013, 305, 307. doi: 10.1016/j.jcat.2013.05.031

(6) Murdoch, M.; Waterhouse, G. I. N.; Nadeem, M. A.; Metson, J. B.; Keane, M. A.; Howe, R. F.; Llorca, J.; Idriss, H. Nat. Chem. 2011, 3, 489. doi: 10.1038/nchem.1048

(7) Hinnemann, B.; Moses, P. G.; Bonde, J.; Jorgensen, K. P.; Nielsen, J. H.; Horch, S.; Chorkendorff, I.; Norskov, J. K. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5308. doi: 10.1021/ja0504690

(8) Du, X. H.; Li, Y.; Yin, H.; Xiang, Q. J. Acta Phys. -Chim. Sin.2018, 34, 414. [杜新華, 李陽(yáng), 殷輝, 向全軍. 物理化學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 34, 414.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201708283