纳米粒子氢氧化物衍生掺杂策略在半导体光催化中的突破性进展

《Applied Ocean Research》：Nanoparticle hydroxide-derived doping outperform conventional salt-based approaches in semiconductor photocatalysis

本文报道了一种基于二维稀土氢氧化物（REH）纳米片的机械化学掺杂新策略，该策略通过缺陷工程显著提升了MoS2等半导体材料的光催化性能，在可见光下实现13倍活性提升，并证实其在不同宿主材料（GO、TiO2、BN）中的普适性，为太阳能转换材料设计提供了新途径。

　　

亮点

二维稀土氢氧化物（REH）纳米片实现了一种机械化学掺杂策略，显著增强了传统半导体光催化剂的可见光性能。通过2-甲基咪唑辅助液相剥离制备的无表面活性剂、富含缺陷的REH纳米片（1-2个分子层）可作为高效的固态掺杂剂。当应用于MoS₂时，该方法使光催化活性在紫外-可见光范围内相比原始未掺杂的MoS₂提高了13倍（k = 1.8 × 10^?2 min^?1 vs. 1.2 × 10^?3 min^?1），同时实现了可见光响应（λ > 450 nm），k = 1.0 × 10^?2 min^?1。时间分辨光致发光光谱显示，Tb³⁺介导的电荷转移在可见光下延长了激子寿命，这与光催化测试结果一致，XPS证实了整体氧化态的稳定性。在基准可见光染料降解测试中，机械化学掺杂被证明比使用Tb(NO₃)₃的传统溶液相方法更有效，并且适用于多种材料（GO、TiO₂和BN），表明其有效性关键取决于宿主缺陷结构。因此，这种缺陷工程掺杂平台作为一种通用的合成方法，以最小的稀土负载量（1 mol%）实现了卓越的性能，同时保持了与可扩展干法加工方法的兼容性。掺杂剂掺入的纳米级精度、光催化测试中量子效率的提高以及加工多功能性的结合，解决了光催化材料设计中的基本挑战，为太阳能转换提供了一条可行的途径。

材料

层状铕羟基氯化物（LEuH）和层状铽羟基氯化物（LTbH）分别通过参考文献[32]和[33]中描述的程序较早合成。氧化石墨烯水溶胶通过改进的Hummers方法从剥离的碳合成。二硫化钼（MoS₂）（CAS号1317-33-5, 99%, 平均尺寸~6 μm）[34]，2-甲基咪唑（2-MeIm）（CAS号693-98-1, 99%），对苯二甲酸（TPA），二氢乙锭（DHE），罗丹明6G（CAS号...