兰州大学丁勇教授团队通过在纳米棒状CdS与纳米薄片MXene间构建肖特基结，采用简单的光沉积方法将多酸Co8POM负载在CdS/MXene表面构建了三元复合Co8POM@MXene-CdS催化剂，并将其用于光催化制氢。研究表明，反应过程中光生电子通过肖特基势垒从CdS转移到MXene纳米片，而光生空穴则从CdS迁移到Co8POM，其中MXene作为HER位点，Co8POM作为氧化反应位点。这种协同效应大大增强了光生载流子的分离效率，同时抑制了CdS的光腐蚀。在AM 1.5G模拟太阳光条件下，三元复合材料的光催化析氢速率为8.13 mmol g−1 h−1，比纯CdS高25倍以上。本研究对设计和制备系列用于太阳能转换的多金属氧酸盐和MXene支撑的半导体复合催化剂提供了新的思路。
氢能作为一种可再生、高效且环保的能源形式，因其高达122 MJ/kg的能量密度而备受瞩目。与此同时，太阳能凭借其取之不尽、产量稳定以及广泛的应用前景，被视为未来最为理想的能源选项之一。鉴于此，光催化制氢技术被视为解决环境污染与能源短缺问题的关键所在。在众多半导体材料中，硫化镉（CdS）凭借其适宜的能带结构和出色的可见光响应特性，脱颖而出成为光催化制氢领域极具潜力的材料之一。然而，光生载流子的快速复合不仅降低了其光催化活性，而且CdS表面光生空穴的积累还会引发光腐蚀现象，从而严重削弱了CdS的光稳定性，限制了其进一步的实际应用。因此，研发兼具高催化性能和优异稳定性的CdS基复合光催化剂显得尤为重要。
最近，兰州大学丁勇教授团队通过静电自组装和光沉积的方法构建了一种三元复合Co8POM@MXene-CdS催化剂（图1），并将其用于光催化制氢。得益于MXene与CdS接触形成较低的肖特基势垒以及具有准立方烷结构的钴基多酸（Co8POM）具有良好的氧化助催化能力，很好地促进了光生载流子的分离效率，增加了光生载流子寿命，从而展现出高效的光催化析氢活性。
图1.复合催化剂合成路线示意图
此外，通过原位X射线光电子能谱(SI-XPS)以及密度泛函理论计算(DFT)揭示了三元复合催化剂分解水产氢的光催化机理（图2）。功函数的DFT计算结果、电荷密度计算结果以及SI-XPS中各元素谱峰结合能的变化证明：电子在MXene/CdS界面上通过肖特基势垒从CdS转移到MXene，而空穴在Co8POM/CdS界面上从CdS转移到Co8POM。这意味着载流子分离是通过电子和空穴分别从CdS转移到MXene和Co8POM来实现的（图3）。
图2.(a) CdS, (b) Ti3C2Tx/MXene和(c) Co8POM的静电势。(d)具有2.7×10-3 e/Å3等面的Ti3C2Tx/CdS、(e) Co8POM/CdS的电荷密度差侧视图。（电荷积累表示为黄色区域，电荷消耗表示为青色区域）。(f) Co 2p, (g) Ti 2p, (h) Cd 3d, (i) S 2p在300 W氙灯照射下的SI-XPS。
详见：Yu Feng, Xiao Fang, Jinnuo Zang, Bin Song, Chunlian Hu, Xiaoyu Dong, Yong Ding. Improvement of charge-transfer kinetics via MXene and cobalt containing polyoxometalate loading on CdS for photocatalytic hydrogen production. Sci. China Chem., 2024, DOI: 10.1007/s11426-024-2358-3.
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