间隙碳掺杂MoS2 /g-C3 N4 二维范德华异质结的协同效应及其光催化析氢性能增强机制

为解决2D/2D范德华异质结(VDW)中费米能级匹配与界面耦合强度的关键挑战，研究人员通过间隙碳(Ci )掺杂策略构建了Ci -MoS2 /g-C3 N4 新型光催化剂。该材料在无铂条件下实现3237.6 μmol g?1 h?1 的析氢速率，较传统体系提升48倍，为高效非贵金属光催化材料设计提供了新思路。

　　

随着全球能源转型加速，太阳能驱动的光催化析氢技术(PHE)被视为最具潜力的绿氢制备方案。然而，传统半导体材料面临光生载流子复合率高、贵金属催化剂依赖性强等瓶颈问题。二维石墨相氮化碳(g-C₃
N₄
)虽具有理想带隙，但其光子利用率不足；二硫化钼(MoS₂
)虽展现类铂催化特性，但基面活性位点稀缺。更关键的是，构建2D/2D范德华(VDW)异质结时，界面偶极效应和晶格应变会导致费米能级失配，严重制约电荷传输效率。

针对这一系列挑战，来自中国的研究团队创新性地提出"间隙碳原子工程+VDW异质结"协同策略。通过简便的煅烧-溶剂热法，在MoS₂
亚表面引入原子级间隙碳(C_i
)，并与g-C₃
N₄
纳米片构建紧密耦合的2D/2D异质结。这种C_i
-MoS₂
/g-C₃
N₄
(简称C_i
-MS/CN)复合材料在可见光下实现3237.6 μmol g^?1
h^?1
的析氢速率，较传统体系提升48倍，表观量子效率达10.6%(420 nm)。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为无铂光催化体系开发提供了全新设计范式。

关键技术方法包括：1) 尿素热聚合法制备超薄g-C₃
N₄
纳米片；2) 调控钼源与硫源比例，通过溶剂热法实现C_i
在MoS₂
亚表面的空间限域掺杂；3) 结合X射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振(EPR)验证碳掺杂位点；4) 通过瞬态荧光光谱和电化学阻抗分析电荷分离效率；5) 基于密度泛函理论(DFT)计算揭示C_i
对界面电荷分布的调控机制。

【Synthesis and Morphological characterization】
通过调控Na₂
MoO₄
与L-半胱氨酸比例，实现C_i
在MoS₂
晶格中的精准掺杂。透射电镜显示MoS₂
纳米片垂直生长在g-C₃
N₄
表面，形成紧密的2D/2D界面。XPS证实C_i
与周围硫原子形成强相互作用，EPR信号表明C_i
诱导了1T相变。

【Conclusion】
DFT计算表明C_i
掺杂能显著增强MoS₂
亚表面区域亲电性，优化异质结能带匹配。C_i
作为电子受体中心，不仅促进1T相形成，还通过轨道杂化改善电荷动力学。这种"原子级掺杂+界面工程"双轨策略为高效光催化剂设计开辟了新路径。

该研究的突破性在于：首次将间隙碳掺杂与VDW异质结概念相结合，通过原子级调控解决了界面电荷传输瓶颈。所开发的非铂催化剂性能媲美贵金属体系，且制备方法易于规模化，对推动太阳能制氢技术产业化具有重要实践意义。理论计算与实验验证的结合，也为深入理解材料构效关系提供了范本。