背景简介
基于金属硫化物半导体光催化剂的太阳能驱动全水分裂，由于电荷重合性强，催化活性位点不足，仍然是一个挑战。此外，在光催化水氧化催化过程中，显著抑制逆反应，特别是硫化物离子的氧化是一项艰巨的任务，需要高效的光生空穴转移动力学。
近日，香港理工大学的柴扬教授团队在国际知名期刊Advanced Science 上发表题为”A Ternary Dumbbell Structure with Spatially Separated Catalytic Sites for Photocatalytic Overall Water Splitting“的文章，Bocheng Qiu为本文的第一作者。
🔹 本文设计并制造了一种基于CdS纳米线锚定MoS2(电子收集器)和RuO2(空穴收集器)双共催化剂的纳米哑铃结构光催化剂，成功实现了H2和O2的同步演化(图1a)。
🔹 MoS2 NSs作为电子捕获器被装饰在CdS纳米线的两端，而RuO2 NPs作为空穴收集器被沉积在CdS纳米线的侧壁上。
🔹 CdS纳米线上的光生电子和空穴分别流向尖端和侧壁，在相应的共催化剂上积累的电荷随后参与全水分裂（图1b）。
背景简介
1. 光催化水分解面临的挑战
全球能源需求持续上升，对环境提出了严峻挑战，并推动了人们对清洁和可再生能源替代化石燃料的追求。通过光催化全解水生产氢燃料是一种简单且成本效益高的方法，可与化石燃料衍生氢气相媲美。然而，以往文献报道的用于水裂解的光催化剂仍面临着巨大的挑战：1）大多数光催化剂的禁带宽度较大，可见光响应较弱；2）由于形成O-O键（1.23eV）需要多个电子和质子转移过程，半导体光触媒的O2释放是一个困难的过程。因此，开发能将水分解为氢气和氧气的窄带隙和低成本的光催化剂是至关重要的，以最大限度地提高光转化效率。
2. 过渡金属硫族化合物
过渡金属硫族化合物由于其化学组成简单、禁带窄、能带结构合理等优点，成为高效利用太阳能的候选材料。1D金属硫系化合物具有还原-助催化剂尖端的结构，在光催化分解水方面具有一些独特的优势，如活性中心完全暴露、空穴有效定位和长距离电子传输。例如，1D-CdS纳米棒（NPs）的末端带有Pt纳米颗粒（NPs），可以显示出令人印象深刻的光催化析氢性能，在波长455 nm的光照下，量子效率高达9.6%。这种优化的还原辅助催化半导体纳米结构充分利用了转移到Pt助催化剂上的光生电子和CdS纳米棒上的空穴之间的界面电荷分离的好处，从而延长了电子寿命。光生电子寿命的提高与牺牲电子给体的引入密切相关。由于没有牺牲电子供体，1D金属硫化物侧壁上积累的光生空穴倾向于氧化晶格硫离子，而不是参与氧的释放。因此，有效的空穴转移是实现高效太阳能-燃料转换的关键步骤。
3. 研究机遇
最近，研究人员利用金属基分子助催化剂作为空穴捕收剂，研究了可调配体结构对水氧化活性的影响。然而，金属基分子辅助催化剂需要复杂的有机合成过程，并且由于空穴诱导配体氧化而表现出较差的稳定性。与金属基分子助催化剂相比，非光响应金属氧化物（如RuO2和IrO2等）是一种具有低电阻率、高耐蚀性的替代氧化助催化剂。因此，将金属氧化物助催化剂沉积到一维金属硫化物结构的侧壁上，可以有效地将多个空穴从硫化物转移到氧化助催化剂的位置，这是水氧化必不可少的。
核心内容
🔹 本文开发了一种基于RuO2/CdS/MoS2且具有空间分隔的催化位的三元哑铃形催化剂，在模拟太阳光下，在不添加任何牺牲剂的情况下，实现了氢气和氧气的同时生产。
🔹 在CdS纳米线两端固定的MoS2纳米片被认为是加速析氢的还原助催化剂，而RuO2纳米颗粒作为氧化助催化剂沉积在CdS纳米线的侧壁上以促进析氧动力学。
🔹 密度泛函理论模拟和超快光谱结果表明，光生电子和空穴分别定向迁移到MoS2和RuO2催化位点，从而实现了有效的载流子分离。
🔹 三元哑铃结构的设计保证了金属硫化物不受光腐蚀，从而扩大了它们在太阳能水裂解中的应用范围。
图二.
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