陕西科技大学｜嵌入纳米级MoS2三维多孔BN/rGO骨架模拟太阳光产氢

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第一作者及通讯作者：李伟（陕西科技大学（西安））

共同通讯作者：王传义（陕西科技大学（西安））

通讯单位：陕西科技大学

论文DOI: 10.1016/j.cej.2021.132441

研究亮点

1. 三维多孔结构使BNRG骨架暴露大量有效活性位点。

2. BNG-MoS2复合结构多相界面的协同作用促进了界面电荷迁移能力并增强了光响应性。

3. 有效界面电荷传导缓解了MoS2纳米结构光腐蚀影响，使复合催化剂表现出良好的耐光性。

研究背景

发展绿色环保的新能源对解决全球能源问题至关重要。由于太阳能具有取之不尽、使用方便、可持续性等优点，将太阳能转变为方便使用的化学能已成为新能源开发的重要途径。鉴于氢能绿色环保、易储存、能量密度高等优点，是一种理想的可替代型新能源。太阳光诱导分解水制氢技术在发展氢能方面具有巨大潜力。

在过渡金属硫化物中，由于二硫化钼（MoS2）窄带隙特征，赋予其以优异的光吸收和响应特性，所以被广泛应用于合成高效光催化剂。然而，其结构的极度不稳定性导致MoS2催化剂在光诱导下易发生光腐蚀，加速载流子复合，严重影响其催化活性。如何有效抑制MoS2光腐蚀并增强其结构稳定性是需要解决的关键问题。

拟解决的关键问题

构筑异质结是改善半导体催化剂性能的有效手段，然而如何通过异质结构筑增强催化活性的同时抑制MoS2光腐蚀影响并增强其结构稳定性是需要解决的关键科学问题。

成果简介

鉴于MoS2在光催化剂合成中表现出的诸多优越性能及存在的结构不稳定问题。陕西科技大学（西安）李伟副教授及王传义教授等人通过溶剂热法将纳米级MoS2嵌入3D多孔BN/rGO（BNRG）复合结构表面，制备出一种具有3D多孔结构的MoS2复合光催化剂。由于3D多孔BN/rGO复合骨架具有良好的光吸收及界面电荷传导特性，可通过多相界面的电荷传导促进作用有效抑制MoS2光腐蚀，增强催化结构稳定性。纳米MoS2作为电子给体，向h-BN注入光诱导电子，而rGO的存在则进一步促进了结构中载流子的快速迁移。同时，多孔结构使催化剂活性位点充分暴露，所以在三维多孔结构及多相界面的协同作用下，复合催化剂实现了模拟日光诱导下持久高效的催化水分解产氢活性。

要点1： 3D BNG-M 复合光催化剂合成

基于3D多孔BNRG复合骨架适宜的孔径尺寸及高比表面积，通过一锅溶剂热法成功将纳米级MoS2嵌入在复合骨架结构表面，制备出一种具有3D多孔结构的MoS2复合光催化剂。

图1. BNG-M复合光催化剂的合成示意图。

要点2：3D多孔复合光催化剂结构、组成及形貌表征

通过XRD、Raman、XPS、SEM及TEM等表征研究发现：由于MoS2复配量的不同，所制备的复合光催化表现出不同的形貌结构，归因于纳米级MoS2在3D多孔BNRG骨架表面不同分散程度。当MoS2复配量适中时，有利于其在3D多孔BNRG骨架表面的均匀分布，易于形成有效的异质结多相界面。

图2. BNG-M10复合光催化剂的结构、组成分析

图3. BNG-M10复合光催化剂的形貌、晶型及组成分析。

要点3：3D多孔复合光催化剂模拟日光诱导产氢活性

当pH = 7.5时，优化的BNG-M10复合光催化剂在模拟日光诱导下可达到1490.3 μmol·g-1·h-1的产氢速率，是纯MoS2的58.2倍，是没有复配MoS2的3D多孔BNRG骨架的12.2倍。在λ = 380 nm和500 nm的光波诱导光下，其表观量子产率达到了10.75 %和8.75%。表明复配适量MoS2后的复合光催化剂在模拟日光诱导下具有显著增强的催化水分解产氢活性。同时，持久性和重复性实验以及随后的回收催化剂的结构表征表明BNG-M10复合光催化剂在模拟日光诱导下具有良好的结构稳定性及持久稳定的催化产氢性能。

图4. BNG-M10复合光催化剂的催化产氢性能、持久性和重复使用性。

要点4：BNG-M10复合光催化剂多相界面协同作用增强光-电化学性能

通过光电化学各项表征可知：由于助催化剂-载体间协同相互作用的形成，导致3D多孔BNRG骨架与MoS2助催化剂间内建电场的产生，使得BNG-M10复合光催化剂的各项光-电化学性能均显著提升（如增强的光响应性与界面电荷传导能力）。

图5. BNG-M10复合光催化剂的光-电化学性能表征。

要点5：BNG-M10复合光催化剂的催化机理分析

基于电化学分析可确定MoS2助催化剂与3D多孔BNG骨架间电荷传导机制的形成。进一步基于能带结构分析，明确了光诱导载流子的生成与传导路径。在模拟日光下，纳米MoS2作为电子给体，向h-BN注入光诱导电子，而rGO的存在则进一步促进了结构中载流子的快速迁移，从而完成高效的水分解产氢性能。

图6. BNG-M10复合光催化剂催化产氢机理示意图

小结与展望

综上所述，鉴于MoS2在光催化剂合成中表现出的诸多优越性能及存在的结构不稳定问题，本研究通过一步溶剂热法成功将纳米级MoS2嵌入3D多孔BNG复合骨架，制备出一种具有3D多孔结构的MoS2复合光催化剂。由于3D多孔BN/rGO复合骨架具有良好的光吸收及界面电荷传导特性，可通过多相界面的电荷传导促进作用有效抑制MoS2光腐蚀，增强催化结构稳定性。纳米MoS2作为电子给体，向h-BN注入光诱导电子，而rGO的存在则进一步促进了结构中载流子的快速迁移。其典型的多孔结构使催化剂活性位点充分暴露，所以在三维多孔结构及多相界面的协同作用下，复合催化剂实现了模拟日光诱导下持久高效的催化水分解产氢活性。本研究为构建具有丰富活性位点的光催化剂完成高效的太阳光诱导水分解产氢活性提供了重要思路。

参考文献

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作者介绍

李伟，陕西科技大学 化学与化工学院，副教授。从事光催化剂结构设计及合成、光催化污水处理、太阳能光伏氢能源生产相关研究。目前已发表国际SCI论文30余篇，总被引频次1000余次。部分研究被《Appl. Catal. B-Environ.》、《J. Mater. Chem. A》、《Environ. Sci.-Nano》、《ACS Sustainable Chem. Eng.》、《Chem. Eng. J.》、《ChemCatChem》、《Electrochim. Acta》等期刊报导。

王传义，陕西科技大学特聘教授。德国洪堡学者、英国皇家化学会会士、国家外专局高端外国专家创新团队负责人、德国洪堡基金会联合研究小组中方负责人、陕西科技大学特聘教授、武汉大学兼职教授、博士生导师。应邀担任中国可再生能源学会光化学专业委员会委员、中国感光学会光催化专业委员会委员及中国环境科学学会特聘理事、国家科技奖励和国家重点研发计划项目会评专家及国家基金委等机构项目评审专家。从事光催化技术在环境与能源领域的应用研究。