层状过渡金属硫化物助催化剂结构调变及其光催化制氢研究

The development of noble-metal-free co-catalysts with low cost and high efficiency is of great importance for photocatalytic H2 production. According to Pauling’s Valence Rule, we will dope metal ions with a lower oxidation state into the crystal of layered transition metal disulfide (MoS2 or WS2) to enhance the activities of the layered MoS2 (or WS2) edges, and create new active sites on its basal plane for photocatalytic H2 production. Meanwhile, we will identify the new active sites on the basal plane of the metal-doped layered MoS2 (or WS2) by photocatalytic reduction reaction, and reveal the physical chemistry’s nature of the metal-doped layered MoS2 (or WS2) as cocatalyst for the photocatalytic H2 production of the semiconductors such as g-C3N4、CdS and CdSe.

发展高效廉价非贵金属助催化剂对实现太阳能光催化分解水制氢具有重要的实际意义。本项目依据鲍林（Pauling）电价规则，拟通过低价态金属掺杂层状过渡金属硫化物（MoS2或WS2）结构中，增强其边缘暴露S原子的产氢活性强度，并创造层状中间产氢活性位点，探索和发展高效廉价非贵金属光催化分解水产氢助催化剂。同时，项目还将利用光催化金属还原方法识别层状中间产氢活性位点形成，以及根据各种物理化学表征手段研究和揭示低价态金属掺杂层状过渡金属硫化物（MoS2或WS2）助催化剂负载半导体催化剂（如g-C3N4、CdS和CdSe等）体系光生载流子产生、分离、传输和还原产氢的物理化学本质过程。

本项目通过化学溶剂热法原位构建并负载了低价态金属离子如钴掺杂MoS2于CdS表面(Co-doped MoS2/CdS)，以及通过简易快速超声方法制备并负载超薄MoS2于CdS表面(MoS2/CdS)。Co-doped MoS2和超薄MoS2纳米片均展示了显著的光助催化产氢活性。各种表征结果揭示低价态Co掺杂和超薄形状大幅度提高MoS2产氢活性位点。工作为有效改进MoS2助催化剂活性提供了可行的方法、以及理论和实验依据。同时，简易快速超声方法也被成功应用于形成和沉积超细纳米Pt颗粒于CdS表面，展示了优异的光催化产氢活性。另外，项目还针对以过渡金属氢氧化物为助催化剂的体系Ni(OH)2/ZnIn2S4展开了系统的研究，工作对过渡金属氢氧化物Ni(OH)2在光生电荷分离和捕获中作用，以及产氢活性位置提供了新的认识。