清洁能源化学与材料实验室知识库

    利用太阳能分解水制氢被认为是未来解决能源和环境问题的理想途径之一，该技术的规模化应用在很大程度上取决于高效、稳定且环境友好的光催化材料的研发。MoS₂因具有优异光吸收特性和化学稳定性，被认为是一种极具应用潜力的光催化材料。然而，MoS₂块体材料活性位点少、能带结构不够理想，所表现出的催化性能并不令人满意，MoS₂纳米结构及其复合材料是解决上述瓶颈问题的有效手段。基于此，本论文以增强MoS₂材料体系的光解水制氢性能为目标，从改善材料光电响应特性、增加催化活性位点、促进光生载流子高效分离和提升循环稳定性等方面入手，制备了一系列具有优异催化性能的MoS₂基低维光催化复合材料，系统地研究了材料形貌、结构对其催化性能的影响，并探讨了催化过程中不同体系载流子的分离、传输机制。论文的主要研究内容和取得的结果如下：

    1.利用MoS₂层内载流子传输性能优异的特点，以MoS₂纳米片为基质通过共沉淀法在MoS₂片层上原位生长了Ag₂S纳米颗粒。测试结果表明，经Ag₂S修饰后的MoS₂片层得到了进一步的剥离拓展，A@M复合材料因而具备更高的比表面积、增强的导电性和更多的反应位点；同时，Ag₂S与MoS₂所形成II型异质结促进了光生载流子的有效分离，因而A@M复合材料表现出了明显优于单体材料的催化活性。其中Ag₂S担载量为16.3％的A@M复合材料催化性能最优。

    2.制备了尺寸具有显著差异的纳米花、纳米颗粒及量子点（QD）三种MoS₂低维材料，并分别与载流子传输介质氧化石墨烯（GO）构建催化体系。结果显示，随着低维复合结构中MoS₂尺寸的逐渐降低，催化剂体系的比表面积相应增大，带隙依次变宽，光催化性能增强，且均表现出优异的化学稳定性。三种低维复合结构中，MoS₂量子点的表面效应有效增加了反应活性中心的数量；尺寸效应减少了光生载流子到材料表面的输运路径，并通过带隙展宽增强了催化剂中光生电子还原H⁺的能力；上述因素协同促进了MoS₂QDs/GO表现出最好的光催化性能，AM1.5 G模拟太阳光照射下产氢速率达132 molh^-1g^-1。

    3.选择同为片层结构材料的g-C₃N₄与MoS₂构建II型半导体异质结，通过离子交换法实现了不同尺寸MoS₂QDs在g-C₃N₄薄层上大担载量的原位可控生长。得益于MoS₂量子点的优异光催化特性以及MoS₂/g-C₃N₄异质界面处光生载流子的有效分离，所制备的MoS₂/g-C₃N₄复合材料在分解水制氢反应中表现出了高的催化活性及优异的循环稳定性。担载量为5.7wt%的MoS₂/CNNS复合材料于AM1.5G模拟太阳光照射下的产氢速率为1.42 mmolh^-1g^-1。

    4.为了进一步提高MoS2体系的催化性能，在MoS₂/C₃N₄Ⅱ型异质结中引入载流子传输介质GO形成三元复合体系，并成功通过表面静电作用和离子交换处理实现了C₃N₄量子点在GO上和MoS₂量子点在C3N4上的顺次、选位生长。该三元复合结构充分发挥了MoS₂/g-C₃N₄异质界面的载流子分离优势及g-C₃N₄/GO界面的空穴分流传输优势，表现出突出的光催化性能。最优MoS₂/g-C₃N₄担载量（5.6wt％）的复合体系在AM1.5G模拟太阳光照射下产氢速率达1.65 mmolh^-1g^-1。