MoS2/TiO2纳米坑阵列的非金属等离激元特性及光催化析氢研究

In this study, we report nonmetal plasmonic MoS2/TiO2 nanocavity array heterostructures for highly efficient photocatalytic H2 generation. Large area laminated MoS2 in conjunction with TiO2 nanocavity arrays is achieved via carefully controlled anodization, physical vapor deposition, and chemical vapor deposition processes. The spatial uniform heterostructure, size of MoS2, S vacancy, content of 1T phase, as well as dielectric coefficient of TiO2 substrates are proven to be correlated with plasmon-resonance through the conformal MoS2 nanosheets. Combining with the DFT calculations and FEM simulations , some crucial roles are adjusted here for tuning the photo absorption frequency, intensity, and energetic level of photo carriers of the MoS2/TiO2 heterostructures. Excellent H2 yield rate is aimed by using this cost efficient plasmonic catalyst. As an innovative exploration, our study demonstrates that the photocatalytic activities of nonmetal, earth-abundant materials can be enhanced with plasmonic effects, which may serve as an excellent catalytic agent for solar energy conversion to chemical fuels(H2 etc.).

本项目采用CVD法在TiO2纳米坑阵列中原位生长MoS2纳米片阵列，构建异质结复合半导体。在材料的本征吸收以外实现了非金属等离子共振光吸收和光催化析氢。研究MoS2的形貌、尺寸、边缘S空位浓度、晶型、TiO2基底的电导率和介电常数等因素对等离激元光吸收和光催化产氢的影响。探究非金属材料产生等离激元光电共振的必要条件。结合第一性原理的计算 (DFT) 和有限元光电耦合模拟 (FEM)，对材料的各影响因素进行系统的评估和调控。获得光吸收强度、范围、光生载流子能级可协调的MoS2/TiO2异质结薄膜，实现最优的光催化制氢性能。该研究工作具有非常好的前瞻性和实用价值，可以拓展到其他类似的半导体材料，有效降低光催化制氢的成本。

由于光催化剂的形貌对光催化活性起着重要作用，因此形貌控制一直是研究热点。近些年，光催化剂的形貌、晶相、电子寿命、能带、电子结构、缺陷及表面态等方面的研究都得到了人们的广泛关注。其中，具有低维结构和特殊形貌的纳米材料由于在很多领域都可以发挥卓越的性能而吸引了众多的研究兴趣。研究幵发形貌、维度可控的微纳米催化材料及低维半导体材料是提高光解水制氢效率有效途径。.本项目引入非金属等离子体激元材料，通过阳极氧化和化学气相沉积工艺实现了大面积二维MoS2、Cu2S、CoS2、CoP、NiS与TiO2纳米孔阵列的结合。利用非化学计量比的硫化物的金属性和在TiO2纳米孔中的高度有序排列实现了表面等离子共振和半导体本征吸收以外的可见光谱吸收。MoS2@TiO2异质结构的最优产H2率为580 mmol h-1g-1。光谱吸收、有限元频域模拟表明这种MXS2@TiO2异质结构具有高效的电荷转移途径和光收获特性。这项创新性探索表明，丰富的非贵金属材料可以用等离子体激元光催化，可以作为太阳能转化为化学燃料的优良催化剂。除了光催化产氢的特性外，某些材料体系表现出优异的光电催化还原CO2的活性、氧氧化和氧还原活性。可以用于充放电空气燃料电池的电极材料。.