苏科大胡俊蝶/李长明团队CEJ：超薄层状2D/2D ReS2/高结晶g-C3N4异质结高效光催化析氢

第一作者：阳婷玉

通讯作者：胡俊蝶*，李长明*

单位：苏州科技大学

太阳能驱动半导体催化分解水制氢是实现可再生绿氢的有效途径之一，符合全球低碳和可持续发展要求，亦符合我国“双碳”重大发展战略需求。

设计构筑优异的光催化剂材料是实现高效制氢的必要条件，但其仍面临巨大挑战。其中，光催化过程中光生载流子的快速重组是抑制析氢速率的重要因素之一。对此，有效促进光生电子和空穴的空间分离、迁移和传输以抑制光生载流子重组是提高光催化性能的有效策略。

基于此，苏州科技大学胡俊蝶/李长明团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Ultrathin layered 2D/2D heterojunction of ReS₂/high-crystalline g-C₃N₄ for significantly improved photocatalytic hydrogen evolution”的观点文章。

该课题组构建一种超薄层状2D/2D二硫化铼/高结晶石墨相氮化碳（ReS₂/CCN）范德华异质结，高效提升光催化水分解制氢性能，如图1所示。通过构筑高结晶CCN结构消除深层缺陷复合中心来有效抑制光生电荷的快速重组，结合ReS₂纳米片良好的导电性和较强的可见光响应能力，在ReS₂/CCN范德华异质结的协同作用下，实现电荷有效分离和快速传输目的。

图1. 构建用于光催化析氢的2D/2D ReS₂/CCN异质结示意图。

实验结果表明，通过简单的自组装方法成功构筑了2D/2D ReS₂/CCN异质结。通过表征材料的形貌和微观结构，发现CCN纳米片具有清晰的晶格条纹，ReS₂纳米片表面光滑且Re原子表现出明显的Re₄金刚石链结构，其具有丰富的活性位点。通过范德华力，高结晶性CCN纳米片和超薄的ReS₂纳米片紧密堆叠在一起。

图2. (a-b) CCN, (d-e) ReS₂纳米片，(g-h) 15% ReS₂/CCN异质结的透射电子显微镜图和相应的高分辨透射电子显微镜图像。(c) ReS₂的原子力显微镜图像和(f)相应的纳米片厚度剖面图。X射线能谱分析图：(i) 15% ReS₂/CCN材料的扫描透射图， (j-n) 15% ReS₂/CCN材料的mapping图，(k) C，(l) N， (m) S， (n) Re。

要点二：ReS₂/CCN范德华异质结光学性质及光电化学性质表征

ReS₂可以显著增强CCN的太阳光响应能力，有效拓宽CCN材料的可见光吸收范围，此外，高结晶结构以及范德华异质结的构建提高了CCN材料上光生载流子的分离和迁移效率，抑制光生载流子的重组，从而改善光催化活性。

图3. (a) 固体紫外可见光吸收光谱, (b) 带隙计算图，(c) 稳态荧光和 (d) 时间分辨光致发光光谱。

图4. (a) 瞬态光电流对比图，(b) 电化学阻抗对比图，(c-d) 莫特肖特基曲线图谱，(e-f) 紫外光电子能谱图。

要点三：ReS₂/CCN范德华异质结的光催化性能

上述实验结果表明，高结晶度g-C₃N₄的构建和2D/2D ReS₂/CCN异质结协同促进光催化析氢性能提高。因此，ReS₂/CCN表现出优异的光催化析氢效率，氢气产率最高可达3.46 mmol g^-1 h^-1，是单纯CCN材料的2.7倍。

图5. 不同催化剂光催化性能：(a) 光催化析氢的产量，(b) 光催化析氢的产率，(c) 多次循环实验，(d) 量子效率。

要点四：反应机理探究

层状2D/2D ReS₂/CCN异质结间的光生载流子高效分离和转移是提升其光催化活性的关键因素。在光照下，ReS₂和CCN表面会产生光诱导的电子和空穴。根据能带理论，光生电子在CCN的导带上迅速通过异质界面迁移到ReS₂上，然后在Pt助催化剂的协助下，ReS₂导带上积累的电子将H⁺还原为H₂。

同时，光生空穴也迁移到ReS₂的价带上氧化牺牲剂TEOA，有利于提高析氢速率。此外，催化剂的高结晶度和异质结构有利于光生载流子的迁移，提升光催化析氢活性。

图6. 可见光照射下2D/2D ReS₂/CCN异质结的光催化析氢机理。

Ultrathin layered 2D/2D heterojunction of ReS₂/high-crystalline g-C₃N₄ for significantly improved photocatalytic hydrogen evolution

胡俊蝶副教授简介：江苏省“双创博士”，苏州科技大学材料科学与工程学院副教授，2019年博士毕业于苏州大学材料与化学化工学部。研究兴趣为新型纳米复合材料在新能源及环境修复领域的应用，包括光催化技术在分解水制H₂/O₂、CO₂还原、H₂O₂原位制备、废气/废水治理等方向的研究。

迄今以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ., Nano energy, Chem. Eng. J., Small, J. Mater. Chem. A, Carbon, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上发表高质量SCI论文20余篇；总被引1000余次；主持/完成科研项目6项；申请/授权国家发明专利13项。

李长明教授简介：欧洲科学院院士、俄罗斯工程院外籍院士、美国医学与生物工程院院士，现苏州科技大学材料科学与工程学院院长。主要研究兴趣包括功能材料（能源、生物）、清洁能源（锂电池，燃料电池，氢能源，超级电容器，太阳能电池等）、生物传感与芯片。

已发表700多篇 SCI 顶尖论文，美国和中国等专利280多项，国际/国内学术大会主题或邀请报告200多次，SCI总引用37,000多次，H因子92。2014年来连续荣获汤森路透全球材料科学精英，科睿唯安全球交叉学科和爱思唯尔全球材料高被引科学家。

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