第一作者及通訊作者：李偉（陜西科技大學（西安））
共同通訊作者：王傳義（陜西科技大學（西安））
通訊單位：陜西科技大學
論文DOI: 10.1016/j.cej.2021.132441
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132441
研究亮點：
1. 三維多孔結構使BNRG骨架暴露大量有效活性位點。
2. BNG-MoS2復合結構多相界面的協同作用促進了界面電荷遷移能力并增強了光響應性。
3. 有效界面電荷傳導緩解了MoS2納米結構光腐蝕影響，使復合催化劑表現出良好的耐光性。
研究背景
發展綠色環保的新能源對解決全球能源問題至關重要。由于太陽能具有取之不盡、使用方便、可持續性等優點，將太陽能轉變為方便使用的化學能已成為新能源開發的重要途徑。鑒于氫能綠色環保、易儲存、能量密度高等優點，是一種理想的可替代型新能源。太陽光誘導分解水制氫技術在發展氫能方面具有巨大潛力。
在過渡金屬硫化物中，由于二硫化鉬（MoS2）窄帶隙特征，賦予其以優異的光吸收和響應特性，所以被廣泛應用于合成高效光催化劑。然而，其結構的極度不穩定性導致MoS2催化劑在光誘導下易發生光腐蝕，加速載流子復合，嚴重影響其催化活性。如何有效抑制MoS2光腐蝕并增強其結構穩定性是需要解決的關鍵問題。
擬解決的關鍵問題
構筑異質結是改善半導體催化劑性能的有效手段，然而如何通過異質結構筑增強催化活性的同時抑制MoS2光腐蝕影響并增強其結構穩定性是需要解決的關鍵科學問題。
成果簡介
鑒于MoS2在光催化劑合成中表現出的諸多優越性能及存在的結構不穩定問題。陜西科技大學（西安）李偉副教授及王傳義教授等人通過溶劑熱法將納米級MoS2嵌入3D多孔BN/rGO（BNRG）復合結構表面，制備出一種具有3D多孔結構的MoS2復合光催化劑。由于3D多孔BN/rGO復合骨架具有良好的光吸收及界面電荷傳導特性，可通過多相界面的電荷傳導促進作用有效抑制MoS2光腐蝕，增強催化結構穩定性。納米MoS2作為電子給體，向h-BN注入光誘導電子，而rGO的存在則進一步促進了結構中載流子的快速遷移。同時，多孔結構使催化劑活性位點充分暴露，所以在三維多孔結構及多相界面的協同作用下，復合催化劑實現了模擬日光誘導下持久高效的催化水分解產氫活性。
要點1： 3D BNG-M 復合光催化劑合成
基于3D多孔BNRG復合骨架適宜的孔徑尺寸及高比表面積，通過一鍋溶劑熱法成功將納米級MoS2嵌入在復合骨架結構表面，制備出一種具有3D多孔結構的MoS2復合光催化劑。
圖1. BNG-M復合光催化劑的合成示意圖。
要點2：3D多孔復合光催化劑結構、組成及形貌表征
通過XRD、Raman、XPS、SEM及TEM等表征研究發現：由于MoS2復配量的不同，所制備的復合光催化表現出不同的形貌結構，歸因于納米級MoS2在3D多孔BNRG骨架表面不同分散程度。當MoS2復配量適中時，有利于其在3D多孔BNRG骨架表面的均勻分布，易于形成有效的異質結多相界面。
圖2. BNG-M10復合光催化劑的結構、組成分析
圖3. BNG-M10復合光催化劑的形貌、晶型及組成分析。
要點3：3D多孔復合光催化劑模擬日光誘導產氫活性
當pH = 7.5時，優化的BNG-M10復合光催化劑在模擬日光誘導下可達到1490.3 μmol·g-1·h-1的產氫速率，是純MoS2的58.2倍，是沒有復配MoS2的3D多孔BNRG骨架的12.2倍。在λ = 380 nm和500 nm的光波誘導光下，其表觀量子產率達到了10.75 %和8.75%。表明復配適量MoS2后的復合光催化劑在模擬日光誘導下具有顯著增強的催化水分解產氫活性。同時，持久性和重復性實驗以及隨后的回收催化劑的結構表征表明BNG-M10復合光催化劑在模擬日光誘導下具有良好的結構穩定性及持久穩定的催化產氫性能。
圖4. BNG-M10復合光催化劑的催化產氫性能、持久性和重復使用性。
要點4：BNG-M10復合光催化劑多相界面協同作用增強光-電化學性能
通過光電化學各項表征可知：由于助催化劑-載體間協同相互作用的形成，導致3D多孔BNRG骨架與MoS2助催化劑間內建電場的產生，使得BNG-M10復合光催化劑的各項光-電化學性能均顯著提升（如增強的光響應性與界面電荷傳導能力）。
圖5. BNG-M10復合光催化劑的光-電化學性能表征。
要點5：BNG-M10復合光催化劑的催化機理分析
基于電化學分析可確定MoS2助催化劑與3D多孔BNG骨架間電荷傳導機制的形成。進一步基于能帶結構分析，明確了光誘導載流子的生成與傳導路徑。在模擬日光下，納米MoS2作為電子給體，向h-BN注入光誘導電子，而rGO的存在則進一步促進了結構中載流子的快速遷移，從而完成高效的水分解產氫性能。
圖6. BNG-M10復合光催化劑催化產氫機理示意圖
小結與展望
綜上所述，鑒于MoS2在光催化劑合成中表現出的諸多優越性能及存在的結構不穩定問題，本研究通過一步溶劑熱法成功將納米級MoS2嵌入3D多孔BNG復合骨架，制備出一種具有3D多孔結構的MoS2復合光催化劑。由于3D多孔BN/rGO復合骨架具有良好的光吸收及界面電荷傳導特性，可通過多相界面的電荷傳導促進作用有效抑制MoS2光腐蝕，增強催化結構穩定性。納米MoS2作為電子給體，向h-BN注入光誘導電子，而rGO的存在則進一步促進了結構中載流子的快速遷移。其典型的多孔結構使催化劑活性位點充分暴露，所以在三維多孔結構及多相界面的協同作用下，復合催化劑實現了模擬日光誘導下持久高效的催化水分解產氫活性。本研究為構建具有豐富活性位點的光催化劑完成高效的太陽光誘導水分解產氫活性提供了重要思路。
編輯：劉小云 審核：褚曉姍