硫化钼/氧化钛多孔有序阵列在利用太阳光分解水制氢中的应用

太阳光分解水制氢是可再生能源中一个非常重要的研究领域。近年来发展的二氧化钛（TiO₂）材料因具有光催化活性高、稳定性好、价格低廉、原料丰富等优点，在光催化及光电转化领域具有巨大的应用潜力。但由于传统TiO₂具有较宽的禁带宽度，限制了对可见光甚至近红外光的吸收，致使光催化分解水制氢的效率较低。另外，传统光催化剂的制备过程中存在催化剂负载困难及载体对催化剂具有副作用等问题成为了光催化剂实用化、产业化的瓶颈。

针对这些问题，中佛罗里达大学的Limin Guo博士和Yang Yang教授等人利用电化学腐蚀的方法设计出规则有序排列的TiO₂短管阵列薄膜，并在TiO₂短管内表面均匀生长出多层硫化钼（MOS₂）纳米片（图1），并将其应用于太阳光分解水制氢中。他们通过实验观察和进一步的理论计算证明MOS₂中的硫缺陷是造成该材料具有可见光吸收的原因，结合TiO₂的紫外光吸收和MOS₂本身的近红外光吸收，制备出一种可以在广谱太阳光范围内实现光吸收的催化剂。TiO₂短管阵列在新型的光催化剂中不仅起到吸收紫外光的作用，同时也可实现对MOS₂催化剂的搭载，从而提高太阳光的利用效率和光催化过程的稳定性。进一步的实验同时证明这种催化剂可以在恶劣的环境下实现海水的分解制氢。相关研究成果发表在Energy & Environmental Science 上。Limin Guo博士为论文的第一作者，中佛罗里达大学的Yang Yang教授和美国西北太平洋国家实验室的Yingge Du研究员为该工作的共同通讯作者。

图1. 材料的制备流程及SEM成像。

作者通过光催化反应测试发现，这种规则有序的多孔MoS₂/TiO₂光催化剂表现出优异的太阳光分解水制氢活性以及循环稳定性。

图2.（a）（b） 催化剂的光吸收谱及在不同入射光角度下的光吸收谱；（c）（d） 催化剂对纯水和海水的分解制氢实验；（e）催化剂在不同光照波长下的水分解制氢实验；（f）催化剂的循环稳定性实验。

该工作为发展可大规模生产的光催化剂及实现海水的光催化分解制氢提供了新的思路。

该论文作者为：Limin Guo, Zhenzhong Yang, Kyle Marcus, Zhao Li, Bingcheng Luo, Le Zhou, Xiaohui Wang, Yingge Du and Yang Yang

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MoS₂/TiO₂ Heterostructures as Nonmetal Plasmonic Photocatalysts for Highly Efficient Hydrogen Evolution

Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/C7EE02464A