研究背景及意义

光催化分解水制氢技术为解决当今社会面临的能源危机和环境恶化问题提供了一条理想的技术途径。制备高活性的光催化材料是光催化产氢研究领域的核心。一般来说性能优良的光催化剂需要满足以下几点：1）合适的导带和价带位置，即有较强的还原氧化能力；2）良好的可见光响应特性，尤其是对可见光的吸收能力；3）良好的光生载流子分离能力。CdS是一种可见光响应且具有合适导带价带的光催化材料，满足析氢反应的热力学要求。然而由于CdS表面缺乏活性位点，纯CdS的光催化析氢活性非常低。为了克服这一缺陷，本研究以硫粉为硫源，采用固相法原位生长MoS₂在CdS表面，通过抑制MoS₂ 在Z轴方向的生长获得超薄MoS₂/CdS复合物。该复合材料不仅拥有较多的边缘活性位，而且二者紧密的界面接触有利于光生电荷的迁移，降低载流子的复合几率，提升产氢性能。

研究内容

二维层状材料MoS₂由于其边缘位上具有较低的氢吸附自由能而成为析氢活性中心。另外，由于CdS的光生电子要迅速的传递到MoS₂表面发生析氢反应，因此MoS₂和CdS二者建立紧密的接触界面是提高催化性能的关键。如MoS₂/CdS复合材料的TEM图（图一）所示，少层的MoS₂沿着CdS纳米棒的表面生长，并且具有紧密的接触界面。活性测试显示MoS₂/CdS复合材料的产氢性能明显高于纯CdS的产氢性能。如图二所示，其中2 wt % MoS₂/CdS光催化制氢活性最高，达到542 μmol/h，约是CdS的6倍。循环实验显示4个循环周期活性并没有下降，说明MoS₂/CdS具有高的稳定性。光电化学测试表明MoS₂的导带 (-0.63 V, Ag / AgCl, pH = 6.8)低于CdS 的导带(-1.25 V, Ag / AgCl, pH = 6.8)，CdS光激发产生的电子会从其导带顺利迁移至MoS₂的表面，促进了电子和空穴的空间分离。另外MoS₂表面具有较低的析氢过电位，吸附在其表面的质子更容易还原为H₂，提升光催化析氢性能。

图1 MoS₂/CdS复合材料的(HR)TEM图

图2 MoS₂/CdS复合材料的产氢活性及循环稳定性实验图

研究亮点

本研究将超薄MoS₂成功原位负载在CdS表面以提高光催化产氢性能。研究发现：1）将Mo⁶⁺ 均匀的分散到CdS纳米棒上，使用硫粉硫化固定在CdS 的Mo⁶⁺，成功制备了超薄MoS₂/CdS。2）固相法合成的超薄MoS与CdS之间拥有良好的接触界面，促使CdS的光生电子顺利的迁移至MoS₂活性位点进行析氢反应。3）2 wt % MoS₂/CdS产氢活性达到542 μmol/h，是纯CdS (92 μmol/h)的6倍。

原文信息

In situ growth of a-few-layered MoS₂ on CdS nanorod for high efficient photocatalytic H₂ production

Wei CHEN, Xiang LIU, Shaojie WEI, Qianqian HENG, Binfen WANG, Shilong LIU, Li GAO, Liqun MAO

作者单位：Henan Engineering Research Center of Resource and Energy Recovery from Waste, Henan University, Kaifeng 475004, China

ABSTRACT

An ultrathin MoS₂ was grown on CdS nanorod by a solid state method using sulfur powder as sulfur source for photocatalytic H2 production. The characterization result reveals that the ultrathin MoS2 nanosheets loaded on CdS has a good contact state. The photoelectrochemical result shows that MoS2 not only are beneficial for charge separation, but also works as active sites, thus enhancing photocatalytic activity. Compared with pure CdS, the photocatalytic activity of MoS2 loaded CdS was significantly improved. The hydrogen evolution rate on m (MoS2): m(CdS) = 1: 50 (m is mass) reaches 542 μmol/h, which is 6 times of that on pure CdS (92 μmol/h). This work provides a new design for photocatalysts with high photocatalytic activities and provides a deeper understanding of the effect of MoS2 on enhancing photocatalytic activity.

通讯作者简介

陈威：河南大学化学化工学院副教授，博士生导师。主要从事光催化制氢、光催化CO2还原以及光催化降解污染物研究。

高丽：河南大学化学化工学院副教授，硕士生导师。主要从事（光）电化学析氢，析氧以及电化学氧还原研究。