二维MoS2/g-C3N4 S型异质结的压电-光催化协同效应及其高效产氢机制研究

针对光催化效率受限和机械能利用率低的问题，研究人员通过构建二维MoS2/g-C3N4 S型异质结（S-scheme heterojunction），结合压电效应与光催化协同作用，实现了30分钟内99%的RhB降解率和16.2 mmol g?1h?1的产氢速率，超声辅助使效率提升45%。该研究为多能源协同催化提供了新策略。

　　

在全球经济快速发展与能源环境危机并存的背景下，如何高效利用太阳能和机械能实现绿色催化成为研究热点。传统半导体光催化剂如石墨相氮化碳（g-C₃N₄）虽成本低廉且环境友好，却面临光生载流子（electron-hole pairs）复合率高、光吸收范围窄的瓶颈。与此同时，压电材料在机械应力下产生内置电场（IEF）的特性为电荷分离提供了新思路。然而，单一材料难以兼顾强氧化还原能力和高效能量转换。为此，山东某研究团队创新性地将二硫化钼（MoS₂）与g-C₃N₄结合，构建了具有双内置电场的二维S型异质结（2D-2D S-scheme heterojunction），相关成果发表于《Applied Surface Science》。

研究团队采用一步溶剂热法合成催化剂，结合开尔文探针力显微镜（KPFM）、原位X射线光电子能谱（in situ XPS）和密度泛函理论（DFT）计算等关键技术，系统分析了材料界面特性与能量传递机制。通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）确认了MoS₂纳米花与g-C₃N₄纳米片的紧密接触结构。

研究结果

1. 材料表征：TEM显示MoS₂纳米片垂直生长于g-C₃N₄表面，形成超大接触界面；XPS证实异质结界面的电子转移路径符合S型机制。
2. 压电-光催化协同：在超声（模拟机械能）和可见光协同作用下，催化剂产氢速率达16.2 mmol g^?1h^?1，较单一光催化提升45%。DFT计算揭示应变诱导极化与能带对齐共同形成双内置电场。
3. 降解性能：30分钟内对罗丹明B（RhB）的降解率超99%，电子顺磁共振（EPR）检测到大量·OH和·O₂^?活性物种，证实强氧化能力。

结论与意义
该研究通过S型异质结设计实现了压电效应与光催化的分子级耦合，双内置电场（异质结电场与应变极化电场）协同驱动电荷定向分离，解决了传统催化剂载流子复合率高的问题。其意义在于：① 为多能源协同转化提供了新材料范式；② 16.2 mmol g^?1h^?1的产氢速率达到同类催化剂领先水平；③ 拓展了机械能在环境修复中的应用场景。作者Cheng Yang等强调，这种“光-机”双场调控策略可推广至其他二维压电半导体体系，为清洁能源开发与污染治理开辟了新路径。