有序介孔MoC-Pt协同催化ZnIn2S4纳米片实现高效光催化制氢

针对半导体光催化制氢反应动力学缓慢的问题，研究人员开发了有序介孔MoC负载Pt与ZnIn2S4(ZIS)纳米片复合的新型光催化剂Pt-MoC@ZIS。该材料通过11 nm大介孔和~5 nm超薄框架结构提供108 m2·g-1高比表面积，实现Pt的高分散（0.11 wt%），在395 nm光照下获得85.9%的表观量子效率，制氢速率达0.357 mmol·h-1，为开发低Pt/无Pt光催化剂提供了新思路。

　　

随着化石能源过度使用导致的能源危机与环境问题日益严峻，氢能作为高能量密度清洁载体备受关注。光催化分解水制氢技术因能同时利用太阳能和水资源，被视为解决能源与环境问题的理想方案。然而半导体光催化剂普遍存在光生载流子分离效率低、表面反应动力学缓慢等瓶颈问题。虽然铂(Pt)作为助催化剂能显著提升性能，但其稀缺性和高昂成本制约了规模化应用。开发具有"类铂"特性的非贵金属助催化剂，成为当前光催化领域的研究热点。

针对这一挑战，宁夏大学的研究团队创新性地将有序介孔碳化钼(MoC)与超薄ZnIn₂S₄(ZIS)纳米片复合，首次构建了Pt-MoC@ZIS三元异质结构光催化剂。相关成果发表在《Applied Surface Science》上，为解决低Pt高效光催化制氢提供了新策略。

研究采用纳米浇铸法制备有序介孔MoC，通过光沉积锚定Pt纳米颗粒，再用水浴法将ZIS纳米片与Pt-MoC复合。关键技术包括：小角X射线散射(SAXS)表征介孔结构，透射电镜(TEM)观察超薄框架，电化学阻抗谱(EIS)分析载流子传输性能，以及原位X射线光电子能谱(XPS)追踪电子转移路径。

【结构表征】
SAXS和N₂吸附-脱附测试显示，有序介孔MoC具有11 nm大孔径和~5 nm超薄孔壁，比表面积达108 m²·g^-1。TEM证实ZIS为半单胞厚度的超薄纳米片（约0.6 nm），与MoC复合后比表面积提升至159 m²·g^-1，显著高于块体MoC@ZIS(89 m²·g^-1)。

【性能优化】
在模拟太阳光下，含0.11 wt% Pt的Pt-MoC@ZIS制氢速率达0.357 mmol·h^-1，是纯ZIS的43倍。395 nm单色光下表观量子效率(AQE)高达85.9%，比直接负载Pt的ZIS-Pt提升2.3倍。电化学测试表明，有序介孔结构使电荷转移电阻降低76%，光电流密度提高8倍。

【机制解析】
XPS和紫外光电子能谱(UPS)证实，MoC与ZIS间形成内建电场，驱动光生电子从ZIS(功函数4.2 eV)向Pt-MoC(4.8 eV)转移。原位红外光谱捕捉到MoC表面Mo-H键振动峰，揭示其作为质子吸附位点促进H₂生成。密度泛函理论(DFT)计算显示Pt-MoC的氢吸附自由能(ΔG_H*=-0.08 eV)接近理想值。

该研究通过精确调控介孔结构，实现了三大创新：(1)有序大孔促进质量传输，超薄框架缩短载流子迁移路径；(2)MoC高导电性加速电子向Pt活性位点传递；(3)ZIS纳米片分散抑制团聚，减少体相复合。研究成果为设计高效低Pt光催化剂提供了新范式，通过结构工程与组分协同的"双轮驱动"策略，在保持高活性同时将Pt用量降低至传统方法的1/10。这种有序介孔载体结合超薄半导体的设计思路，可拓展至其他能源转化体系，对推动光催化技术实用化具有重要意义。