太阳能光催化产氢成为解决能源危机和环境污染的重要途径，受到人们的广泛关注。提高太阳光子的吸收利用率和光生电荷的分离与转移效率是该领域的最大挑战之一。二氧化钛作为明星光催化材料具有优异的性能，但是对太阳光的吸收仅局限于紫外光，太阳光的利用率太低。尽管黑二氧化钛能拓展光吸收范围到可见-近红外光区，但是光生电荷的转移与分离效率太低，太阳能光催化产氢性能未得到明显改善。因此，单一光催化材料很难同时满足以上要求，构建异质结复合光催化材料成为必然。受自然界光合作用的启发，人们构筑了Z型光催化体系，提高了太阳光的吸收利用率，显著提升了光催化性能，但是量子效率降低一半。因此，构筑合理的异质结光催化体系，利用不同半导体材料的光吸收特性及协同效应可获得能同时提高太阳光吸收利用率和光生载流子分离与转移效率的光催化材料，从而提高太阳能光催化产氢的效率。
近日，黑龙江大学的付宏刚教授课题组为实现光生电荷的高效转移与分离及太阳光的有效吸收利用，提出构建串联异质结、通过两种半导体之间的有效串联来提高催化剂的太阳光催化性能。该课题组根据能带位置及能级结构特点，以助催化剂MoS2为桥，将两种捕获光的半导体材料相连，构建了空心分级结构黑TiO2-MoS2-CdS串联异质结太阳光催化剂，不但拓展了可见-近红外光的吸收，而且实现了光生载流子的高效分离和转移，使其具有优异的太阳光催化产氢性能。该工作以介孔空心黑TiO2微球为宿主，MoS2垂直包覆在空心球表面（图1），不影响黑TiO2吸收光，且沉积的CdS主要生长在MoS2的边缘，而边缘位置是MoS2的主要产氢活性位点。黑TiO2和CdS在MoS2两侧能同时吸收紫外光和可见光，从而形成有效的串联异质结。在模拟太阳光AM 1.5的照射下，该串联异质结表现出优异的光催化性能，光催化产氢高达280 μmol/h/20 mg，且循环使用十次性能几乎保持不变，具有很高的稳定性，这是由于串联异质结的形成显著抑制了CdS的光腐蚀（图2）并延长了光生电荷的寿命（图3），表现出重要的应用前景。
图1. 空心分级结构黑TiO2/MoS2/CdS串联异质结的电镜成像及元素分布
图2. 空心分级结构黑TiO2/MoS2/CdS串联异质结的光催化产氢性能
图3. 空心分级结构黑TiO2/MoS2/CdS串联异质结实现了光生电荷的高效分离和转移
该工作提出了一种构筑高效光催化材料的思路，通过串联异质结的作用，可极大提高太阳光的吸收利用率和光生电荷分离与转移效率，从而显著提高太阳光的催化性能。同时，该研究工作为设计高性能的串联异质结太阳光催化材料提供了新的研究思路。
该论文作者为：Bojing Sun, Wei Zhou, Haoze Li, Liping Ren, Panzhe Qiao, Wei Li and Honggang Fu
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Synthesis of Particulate Hierarchical Tandem Heterojunctions toward Optimized Photocatalytic Hydrogen Production
Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201804282
导师介绍
付宏刚
http://www.x-mol.com/university/faculty/10066
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