第一作者及通訊作者：李偉（陜西科技大學(xué)（西安））
共同通訊作者：王傳義（陜西科技大學(xué)（西安））
通訊單位：陜西科技大學(xué)
論文DOI: 10.1016/j.cej.2021.132441
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132441
研究亮點(diǎn)：
1. 三維多孔結(jié)構(gòu)使BNRG骨架暴露大量有效活性位點(diǎn)。
2. BNG-MoS2復(fù)合結(jié)構(gòu)多相界面的協(xié)同作用促進(jìn)了界面電荷遷移能力并增強(qiáng)了光響應(yīng)性。
3. 有效界面電荷傳導(dǎo)緩解了MoS2納米結(jié)構(gòu)光腐蝕影響，使復(fù)合催化劑表現(xiàn)出良好的耐光性。
研究背景
發(fā)展綠色環(huán)保的新能源對解決全球能源問題至關(guān)重要。由于太陽能具有取之不盡、使用方便、可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榉奖闶褂玫幕瘜W(xué)能已成為新能源開發(fā)的重要途徑。鑒于氫能綠色環(huán)保、易儲存、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的可替代型新能源。太陽光誘導(dǎo)分解水制氫技術(shù)在發(fā)展氫能方面具有巨大潛力。
在過渡金屬硫化物中，由于二硫化鉬（MoS2）窄帶隙特征，賦予其以優(yōu)異的光吸收和響應(yīng)特性，所以被廣泛應(yīng)用于合成高效光催化劑。然而，其結(jié)構(gòu)的極度不穩(wěn)定性導(dǎo)致MoS2催化劑在光誘導(dǎo)下易發(fā)生光腐蝕，加速載流子復(fù)合，嚴(yán)重影響其催化活性。如何有效抑制MoS2光腐蝕并增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是需要解決的關(guān)鍵問題。
擬解決的關(guān)鍵問題
構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)是改善半導(dǎo)體催化劑性能的有效手段，然而如何通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑增強(qiáng)催化活性的同時(shí)抑制MoS2光腐蝕影響并增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
成果簡介
鑒于MoS2在光催化劑合成中表現(xiàn)出的諸多優(yōu)越性能及存在的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問題。陜西科技大學(xué)（西安）李偉副教授及王傳義教授等人通過溶劑熱法將納米級MoS2嵌入3D多孔BN/rGO（BNRG）復(fù)合結(jié)構(gòu)表面，制備出一種具有3D多孔結(jié)構(gòu)的MoS2復(fù)合光催化劑。由于3D多孔BN/rGO復(fù)合骨架具有良好的光吸收及界面電荷傳導(dǎo)特性，可通過多相界面的電荷傳導(dǎo)促進(jìn)作用有效抑制MoS2光腐蝕，增強(qiáng)催化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。納米MoS2作為電子給體，向h-BN注入光誘導(dǎo)電子，而rGO的存在則進(jìn)一步促進(jìn)了結(jié)構(gòu)中載流子的快速遷移。同時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)使催化劑活性位點(diǎn)充分暴露，所以在三維多孔結(jié)構(gòu)及多相界面的協(xié)同作用下，復(fù)合催化劑實(shí)現(xiàn)了模擬日光誘導(dǎo)下持久高效的催化水分解產(chǎn)氫活性。
要點(diǎn)1： 3D BNG-M 復(fù)合光催化劑合成
基于3D多孔BNRG復(fù)合骨架適宜的孔徑尺寸及高比表面積，通過一鍋溶劑熱法成功將納米級MoS2嵌入在復(fù)合骨架結(jié)構(gòu)表面，制備出一種具有3D多孔結(jié)構(gòu)的MoS2復(fù)合光催化劑。
圖1. BNG-M復(fù)合光催化劑的合成示意圖。
要點(diǎn)2：3D多孔復(fù)合光催化劑結(jié)構(gòu)、組成及形貌表征
通過XRD、Raman、XPS、SEM及TEM等表征研究發(fā)現(xiàn)：由于MoS2復(fù)配量的不同，所制備的復(fù)合光催化表現(xiàn)出不同的形貌結(jié)構(gòu)，歸因于納米級MoS2在3D多孔BNRG骨架表面不同分散程度。當(dāng)MoS2復(fù)配量適中時(shí)，有利于其在3D多孔BNRG骨架表面的均勻分布，易于形成有效的異質(zhì)結(jié)多相界面。
圖2. BNG-M10復(fù)合光催化劑的結(jié)構(gòu)、組成分析
圖3. BNG-M10復(fù)合光催化劑的形貌、晶型及組成分析。
要點(diǎn)3：3D多孔復(fù)合光催化劑模擬日光誘導(dǎo)產(chǎn)氫活性
當(dāng)pH = 7.5時(shí)，優(yōu)化的BNG-M10復(fù)合光催化劑在模擬日光誘導(dǎo)下可達(dá)到1490.3 μmol·g-1·h-1的產(chǎn)氫速率，是純MoS2的58.2倍，是沒有復(fù)配MoS2的3D多孔BNRG骨架的12.2倍。在λ = 380 nm和500 nm的光波誘導(dǎo)光下，其表觀量子產(chǎn)率達(dá)到了10.75 %和8.75%。表明復(fù)配適量MoS2后的復(fù)合光催化劑在模擬日光誘導(dǎo)下具有顯著增強(qiáng)的催化水分解產(chǎn)氫活性。同時(shí)，持久性和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)以及隨后的回收催化劑的結(jié)構(gòu)表征表明BNG-M10復(fù)合光催化劑在模擬日光誘導(dǎo)下具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及持久穩(wěn)定的催化產(chǎn)氫性能。
圖4. BNG-M10復(fù)合光催化劑的催化產(chǎn)氫性能、持久性和重復(fù)使用性。
要點(diǎn)4：BNG-M10復(fù)合光催化劑多相界面協(xié)同作用增強(qiáng)光-電化學(xué)性能
通過光電化學(xué)各項(xiàng)表征可知：由于助催化劑-載體間協(xié)同相互作用的形成，導(dǎo)致3D多孔BNRG骨架與MoS2助催化劑間內(nèi)建電場的產(chǎn)生，使得BNG-M10復(fù)合光催化劑的各項(xiàng)光-電化學(xué)性能均顯著提升（如增強(qiáng)的光響應(yīng)性與界面電荷傳導(dǎo)能力）。
圖5. BNG-M10復(fù)合光催化劑的光-電化學(xué)性能表征。
要點(diǎn)5：BNG-M10復(fù)合光催化劑的催化機(jī)理分析
基于電化學(xué)分析可確定MoS2助催化劑與3D多孔BNG骨架間電荷傳導(dǎo)機(jī)制的形成。進(jìn)一步基于能帶結(jié)構(gòu)分析，明確了光誘導(dǎo)載流子的生成與傳導(dǎo)路徑。在模擬日光下，納米MoS2作為電子給體，向h-BN注入光誘導(dǎo)電子，而rGO的存在則進(jìn)一步促進(jìn)了結(jié)構(gòu)中載流子的快速遷移，從而完成高效的水分解產(chǎn)氫性能。
圖6. BNG-M10復(fù)合光催化劑催化產(chǎn)氫機(jī)理示意圖
小結(jié)與展望
綜上所述，鑒于MoS2在光催化劑合成中表現(xiàn)出的諸多優(yōu)越性能及存在的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問題，本研究通過一步溶劑熱法成功將納米級MoS2嵌入3D多孔BNG復(fù)合骨架，制備出一種具有3D多孔結(jié)構(gòu)的MoS2復(fù)合光催化劑。由于3D多孔BN/rGO復(fù)合骨架具有良好的光吸收及界面電荷傳導(dǎo)特性，可通過多相界面的電荷傳導(dǎo)促進(jìn)作用有效抑制MoS2光腐蝕，增強(qiáng)催化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。納米MoS2作為電子給體，向h-BN注入光誘導(dǎo)電子，而rGO的存在則進(jìn)一步促進(jìn)了結(jié)構(gòu)中載流子的快速遷移。其典型的多孔結(jié)構(gòu)使催化劑活性位點(diǎn)充分暴露，所以在三維多孔結(jié)構(gòu)及多相界面的協(xié)同作用下，復(fù)合催化劑實(shí)現(xiàn)了模擬日光誘導(dǎo)下持久高效的催化水分解產(chǎn)氫活性。本研究為構(gòu)建具有豐富活性位點(diǎn)的光催化劑完成高效的太陽光誘導(dǎo)水分解產(chǎn)氫活性提供了重要思路。
編輯：劉小云 審核：褚曉姍