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问渠哪得“氢”如许,唯有源头“活水”来:TiO2/MoS2异质界面高效产氢

火药存世久矣,《范子计然》曰“硝石出陇道”。火药配方详述于《武经总要》[注一]。多以硝石、硫磺、木炭等稀疏平常之事物主要原料;然威力巨大,小可伤人,大可攻城。故不同材料,互惠其利,可事半功倍。

兹光解水制氢,简言之,乃借光之力 [注二],由水得氢 [注三],氢燃之复得水,并将燃烧能量,转化为更易利用之能源。究其基本,乃光子诱发半导体内电子与空穴分离。制氢材料,多为半导体及其异质结构。70年代,基于TiO2的光解水石破天惊,其后,相关研究如火如荼,由点及面,得成显学。

问渠哪得“氢”如许,唯有源头“活水”来:TiO2/MoS2异质界面高效产氢

为得光解水最佳效率,条件有三:材料带隙与光子能量契合无间,活性表面高效丰富,以及电荷于界面处流转顺畅。过去数十载,虽有纳米材料助力,材料比表面积大增,高效界面依然可遇不可求。TiO2孤军奋战,战力见殆,幸得表面活化剂助一臂之力。近年,二维材料研究现星火燎原之势。其中,以MoS2为首的过渡态金属硫属物为重镇之一 [注四]。MoS2天生片状材料,其侧边可提供产氢活性位点。然而其缺点亦突出:片状MoS2层间间隙过大,不利于电子流转运输,降低催化之效率。若考其结构可知,较之层间电导,其同层面内电导竟千余倍大之 [注五]。遂改善合成方法,终得MoS2片“立“于TiO2,以侧面与TiO2纳米棒结合。如此,纳米片的主平面<002>面 [注六] 便站在TiO2纳米棒表面,而非常规“平躺“。于是乎,TiO2中的光生电荷顺畅周转,由MoS2侧边进入高导电性的<002>面,终至催化位点。测之,当MoS2负载率至3%,得最高效率,其催化活性较纯TiO2纳米棒涨30余倍

所谓:“问渠哪得“氢”如许,唯有源头活水来”。棒状纳米TiO2之高比表面积,层状MoS2侧边之高效催化位点,加之站起来的MoS2高导电性<002>面,因势利导,使得电荷流通顺畅,“游刃有余”,故得“源头活水”。

相关论文由新加坡南洋理工大学刘政教授课题组发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201600464)上。


注一 :《武经总要》,十二卷,“火药法晋州硫黄十四两,窝黄七两,焰硝二斤半,麻茹一两,乾漆一两,砒黄一两,定粉一两,竹茹一两,黄丹一两,黄蜡半两,清油一分,桐油半两,松脂一十四两,浓油一分……蒺藜火球,以三枝六首铁刃,以火药团之,中贯麻绳,长一丈二尺。外以纸并杂药傅之,又施铁蒺藜八枚,各有逆须。放时,烧铁锥烙透,令焰出。”

注二:阳光或人造光

注三:氢气的来源根据电解液的酸碱性而不同,本文中氢来自于电解液中的水分子

注四:Transition metal dichalcogenide (TMDs),主要包括MoS2, WS2, MoSe2, WSe2等。最近,关于基于Te的层状材料研究亦风生水起

注五:MoS2层间电阻为面内电阻为2000余倍

注六:MoS2 <002>即Basel平面,MoS2之基面


PS:此文为作者与同校好友范红金教授(NTU,SPMS)一起讨论定稿。


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