Au/TiO2/MoS2等离子体复合光催化剂的制备及其增强光催化产氢活性

刘忠范

北京大学化学与分子工程学院，北京 100871

(a) Au/TiO2/MoS2复合样品的SEM和TEM表征。(b) Au/TiO2/MoS2复合样品的EDX表征。(c) Au/TiO2/MoS2复合样品的光催化产氢活性。(d) Au/TiO2/MoS2复合样品的瞬时光电流响应

自从Fujishima和Honda1首次报道在二氧化钛电极上光电分解水产氢后，光催化反应作为一种清洁、廉价和环境友好的产氢方式引起人们越来越多的关注。在各种氧化物半导体材料中，TiO2成本低廉、无二次污染、具有极强的氧化还原能力、耐光学和化学腐蚀性能以及稳定性，是一种适宜的光催化材料2。然而，纯的TiO2光催化产氢活性较弱，主要有两方面的原因：(1) 可见光利用率低；(2) 光生电子和空穴易复合，因此需要与其它材料复合或者掺杂，来提高其光催化性能。贵金属Au在光照时，其电子共振会产生局部表面等离子共振效应，该效应能增强Au对可见光的吸收3,4。基于Au这一独特的光学性质，研究者发展出了由TiO2半导体材料和Au纳米颗粒组成的Au/TiO2等离子体复合光催化剂，将其用光催化水解产氢5,6，并且显示出了增强的催化活性。然而，在光照下，Au由于等离子共振效应产生的电子转移到了TiO2导带，同时，TiO2价带上的电子被激发后也跃迁至导带，大量电子堆积在TiO2表面，增加了光生电子空穴对的复合机率，限制了其能量转换效率。为了进一步提高Au/TiO2系统的光催化产氢活性，需要有效促进光生电子空穴对的分离。

最近，华中农业大学资源与环境学院向全军课题组设计制备出了一种Au/TiO2/MoS2等离子体复合光催化剂，具有较高的光催化产氢活性(高达708.85 μmol·h-1)。相比Au/TiO2两相复合等离子体光催化剂，该Au/TiO2/MoS2三相复合样品光催化活性增强的原因主要是由于半导体材料MoS2与TiO2纳米片的存在。层状半导体材料MoS2，具有与TiO2错位的能带结构，能够促进TiO2上光生电子空穴对的分离，同时，MoS2暴露边缘的硫原子能与溶液中的H+强烈结合，被结合的H+可以被电子还原为氢气7。采用TiO2纳米片与MoS2两种不同的二维层状材料复合，形成面-面接触的二维层状结构，增大了TiO2与MoS2的接触面积，加快了界面电荷转移速率，有效提高了Au/TiO2系统的光催化活性。作者通过样品的瞬时光电流响应和阻抗谱进一步确认，Au/TiO2/MoS2三相复合样品具有较高的电子空穴转移效率。

(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

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(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. [杜新华, 李阳, 殷辉, 向全军. 物理化学学报, 2018, 34, 414.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201708283