界面Mo-S化学键调控实现高效电荷转移促进可见光驱动光催化产氢

本研究针对非贵金属助催化剂（Mo2C）与CdS界面电荷转移效率低的难题，通过构建Mo-S化学键显著提升光生电子传输效率。优化后的7 wt% Mo2C/CdS复合材料产氢速率达19.94 mmol h-1 g-1，较纯CdS提升51倍且超越Pt/CdS体系296%，为替代贵金属助催化剂提供了新策略。

　　

随着全球能源危机与环境问题加剧，开发太阳能驱动的光解水制氢技术成为研究热点。CdS因其合适的导带位置和窄带隙（~2.4 eV）被视为理想可见光催化剂，但受限于载流子复合率高、贵金属助催化剂（如Pt）成本昂贵等问题。过渡金属碳化物（如Mo₂C）虽具有类Pt的d带电子结构，但其导电性差、氢吸附能过高制约了性能。中国石油大学（北京）团队通过MOF模板诱导策略构建了具有Mo-S化学键的Mo₂C/CdS复合材料，相关成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。

研究采用ZIF-8模板高温碳化结合溶剂热法合成复合材料，通过X射线衍射（XRD）、同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）和密度泛函理论（DFT）计算等手段系统表征。

催化剂结构表征
XRD证实Mo₂C成功负载于六方相CdS（JCPDS 41-1049），同步辐射分析直接观测到2.41 ?的Mo-S键距，证实界面化学键形成。透射电镜（TEM）显示Mo₂C纳米颗粒均匀分散于CdS表面，选区电子衍射（SAED）验证两相紧密接触。

光电化学性能
7 wt% Mo₂C/CdS在420 nm光照下产氢速率达19.94 mmol h^-1 g^-1，表观量子效率为24.7%。瞬态荧光光谱（TRPL）显示其载流子寿命（τ_ave=12.3 ns）较纯CdS延长5.2倍，电化学阻抗谱（EIS）证实界面电荷转移电阻降低89%。

理论计算
DFT揭示Mo-S键使CdS→Mo₂C的电荷转移能垒降低0.23 eV，氢吸附自由能（ΔG_H*）优化至-0.08 eV，接近理想值（0 eV）。差分电荷密度显示界面处电子从Mo₂C的d轨道流向S的p轨道，形成定向电荷传输通道。

该研究创新性地通过界面化学键工程实现非贵金属助催化剂性能突破，为设计高效光催化剂提供了新思路。Mo₂C/CdS体系不仅成本仅为Pt基催化剂的1/50，其产氢活性更创同类材料最高纪录，对推动光解水制氢工业化具有重要意义。