综述：最近在金属和非金属掺杂的MoS2光催化应用方面的进展

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Recent progress in photocatalytic applications of metals- and non-metals-doped MoS 2

MoS?掺杂改性策略及其对光催化性能的影响机制研究。通过金属与非金属掺杂调控电子结构、扩展光吸收范围并增强电荷分离效率，有效解决其窄带隙与活性位点不足问题。重点分析过渡金属、贵金属及非金属掺杂的合成方法与应用潜力。

　　

Micheal Alowakennu|Mohammad Mansoob Khan|Khadijat Olabisi Abdulwahab

美国密歇根州立大学化学系，东兰辛，密歇根州

摘要

二硫化钼（MoS₂）是一种二维（2D）过渡金属硫属化合物，由于其独特的电子、光学和化学性质，已成为光催化领域的有前景的材料。然而，其固有的局限性，如狭窄的吸收光谱和有限的电荷分离效率，限制了其实际应用。最近在MoS₂中掺杂金属和非金属元素的研究取得了显著进展，显示出克服这些挑战的潜力。本文详细分析了金属和非金属掺杂对MoS₂的电子结构、光学性质和光催化性能的影响。简而言之，金属和非金属掺杂可以诱导多种变化，例如形成更多活性位点并增强电子性质。此外，使用贵金属作为掺杂剂可以促进局域表面等离子体共振的形成，有效减少电荷复合并延长电荷分离状态的寿命，从而提高光催化效率。非金属掺杂剂则有助于缩小带隙、改善光吸收，并引入缺陷态，进一步增强光催化活性。

引言

二硫化钼（MoS₂）是一种属于过渡金属硫属化合物系列的二维层状结构。由于其独特的性质，如强氧化性、出色的光催化能力和环境友好性、高稳定性以及易于获取，它受到了广泛关注[[1], [2], [3], [4], [5]]。在层状结构中，各层通过范德华力相互吸引[6]。每一层由紧密排列的硫原子组成，钼原子位于这些硫原子之间。MoS₂有三种晶体结构：四方相（1T）、六方相（2H）和菱形相（3R）（如图1所示），其中数字表示每个重复单元的层数[7,8]。2H相和3R相都具有三角棱柱形配位结构，但对称性不同，分别为六方和菱形；而1T相则具有八面体配位和三角对称性。2H相和3R相都是半导体，但2H相是最稳定且在自然界中常见的相，而3R相稳定性较低，且1T相在自然界中不存在，因为它属于亚稳态[9]。

二硫化钼的二维层状结构类似于石墨烯，其带隙范围为1.2–1.9电子伏特，这一特性使其成为可见光诱导光催化的有希望的选择，因为激发时可以形成电子/空穴对（e^?/h⁺）[10]。然而，较低的带隙也导致较高的电荷复合率[11]。此外，MoS₂的光催化效率部分受到活性位点稀缺的限制，因为催化活性主要局限于边缘位点（尤其是钼终止的边缘），而由硫原子组成的基面在典型反应条件下的活性较低[12]。为了克服这些限制，人们采用了多种方法，包括形成异质结、掺杂以及富集硫原子[13], [14], [15]]。通过引入金属、非金属或类金属，可以调整MoS₂的晶体结构，进而改变其化学和物理性质。这些掺杂剂能够增加活性位点的数量并调整带隙，从而改善基面的导电性能，从而提高整体光催化效率[16,17]。

近年来，关于MoS₂及其基杂化材料在光催化反应中的应用的研究成果不断涌现。一些综述讨论了MoS₂纳米材料和纳米复合材料在光催化中的应用，例如Lv等人详细探讨了不同维度（0D、1D、2D和3D）的MoS₂在光催化氢气生成中的应用，但关于其他光催化应用（如氢气生成以外的用途）中掺杂金属和非金属的MoS₂的信息较少[18]。他们的报告还指出了MoS₂材料在使用中需要改进的几个方面，如通过表面改性提高稳定性、利用MoS₂作为共催化剂以减少氢气生成过程中的过电位以及减轻光腐蚀[18]。Thomas等人也详细描述了未掺杂的2D MoS₂的机制和光催化应用[19]。他们的综述强调了从3D MoS₂转变为2D MoS₂时光吸收和光催化性质的显著变化。这些二维材料的晶体相对其带隙工程和电子性质具有重要影响。Rahman等人还讨论了基于MoS₂的纳米材料和纳米复合材料在光催化反应中的应用，例如分解环境和工业污染物[20]。

尽管MoS₂及其衍生物具有可调的带结构、较大的表面积和有前景的可见光活性，但将其置于现有光催化系统的更广泛背景中考虑是很重要的。传统的金属氧化物催化剂，如TiO₂、ZnO、WO₃和Fe₂O₃，由于稳定性好、带位置合适且合成容易，长期以来一直是研究重点。然而，它们较宽的带隙和高电子-空穴复合率往往限制了其在太阳光照射下的效率。相比之下，MoS₂和类似的层状过渡金属硫属化合物通过提供更窄的带隙和边缘活性位点，增强了可见光吸收和催化效率。因此，研究MoS₂是对现有光催化材料的补充，而非替代，为提高效率和扩展应用范围提供了新的途径。

在本综述中，掺杂剂被分为不同的子标题进行讨论：过渡金属掺杂、贵金属掺杂和非金属掺杂的二硫化钼，以建立掺杂剂的化学性质与其对掺杂MoS₂性质和最终应用的影响之间的关系。文章强调了掺杂MoS₂的合成方法，并讨论了其在光催化中的潜在应用，包括多种污染物的降解和通过水分解生成H₂，同时关注了实现最佳性能所需的参数。此外，还描述了光催化反应机制。综述最后探讨了实现掺杂MoS₂在可持续能源生产和环境修复中的未来前景和挑战。

部分摘录

掺杂MoS₂及其应用

由于其优异的性质，MoS₂作为一种关键的金属硫属化合物，在多种应用中展现出广泛的应用潜力。这些性质包括出色的光吸收能力、可调的电子性质、高比例的催化活性位点以及良好的化学稳定性等[[21], [22], [23], [24]]。然而，尽管具有这些优势，MoS₂仍受到相对较窄的带隙（约1.2–1.9电子伏特）的限制

结论

基于MoS₂的光催化剂因其优异的光吸收性质、层状结构和丰富的活性位点而在光催化领域具有巨大潜力。然而，其效率常常受到快速电荷载流子复合、由于带隙较窄而导致的可见光利用率低以及较差的本征导电性的限制，这些因素限制了光生电子和空穴的有效传输。

CRediT作者贡献声明

Micheal Alowakennu：撰写原始稿件、方法学设计、实验研究、数据整理。Mohammad Mansoob Khan：撰写综述与编辑、概念构思。Khadijat Olabisi Abdulwahab：撰写原始稿件、方法学设计、实验研究、数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

MA感谢密歇根州立大学化学系的J. K. McCusker教授提供的巨大支持和有益的讨论。