Au/TiO2/MoS2等離子體復合光催化劑的制備及其增強光催化產氫活性

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

(a) Au/TiO2/MoS2復合樣品的SEM和TEM表征。(b) Au/TiO2/MoS2復合樣品的EDX表征。(c) Au/TiO2/MoS2復合樣品的光催化產氫活性。(d) Au/TiO2/MoS2復合樣品的瞬時光電流響應

自從Fujishima和Honda1首次報道在二氧化鈦電極上光電分解水產氫后，光催化反應作為一種清潔、廉價和環境友好的產氫方式引起人們越來越多的關注。在各種氧化物半導體材料中，TiO2成本低廉、無二次污染、具有極強的氧化還原能力、耐光學和化學腐蝕性能以及穩定性，是一種適宜的光催化材料2。然而，純的TiO2光催化產氫活性較弱，主要有兩方面的原因：(1) 可見光利用率低；(2) 光生電子和空穴易復合，因此需要與其它材料復合或者摻雜，來提高其光催化性能。貴金屬Au在光照時，其電子共振會產生局部表面等離子共振效應，該效應能增強Au對可見光的吸收3,4。基于Au這一獨特的光學性質，研究者發展出了由TiO2半導體材料和Au納米顆粒組成的Au/TiO2等離子體復合光催化劑，將其用光催化水解產氫5,6，并且顯示出了增強的催化活性。然而，在光照下，Au由于等離子共振效應產生的電子轉移到了TiO2導帶，同時，TiO2價帶上的電子被激發后也躍遷至導帶，大量電子堆積在TiO2表面，增加了光生電子空穴對的復合機率，限制了其能量轉換效率。為了進一步提高Au/TiO2系統的光催化產氫活性，需要有效促進光生電子空穴對的分離。

最近，華中農業大學資源與環境學院向全軍課題組設計制備出了一種Au/TiO2/MoS2等離子體復合光催化劑，具有較高的光催化產氫活性(高達708.85 μmol·h-1)。相比Au/TiO2兩相復合等離子體光催化劑，該Au/TiO2/MoS2三相復合樣品光催化活性增強的原因主要是由于半導體材料MoS2與TiO2納米片的存在。層狀半導體材料MoS2，具有與TiO2錯位的能帶結構，能夠促進TiO2上光生電子空穴對的分離，同時，MoS2暴露邊緣的硫原子能與溶液中的H+強烈結合，被結合的H+可以被電子還原為氫氣7。采用TiO2納米片與MoS2兩種不同的二維層狀材料復合，形成面-面接觸的二維層狀結構，增大了TiO2與MoS2的接觸面積，加快了界面電荷轉移速率，有效提高了Au/TiO2系統的光催化活性。作者通過樣品的瞬時光電流響應和阻抗譜進一步確認，Au/TiO2/MoS2三相復合樣品具有較高的電子空穴轉移效率。

(1) Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238, 37. doi: 10.1038/238037a0

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