二维半导体中空间分辨的光催化活性位点与量子效率研究

研究人员通过扫描光电化学显微镜(SPECM)技术，首次在单层MoS2上实现了光催化活性位点的纳米级空间定位，发现光生空穴与电子呈现截然不同的传输行为：空穴局域在激发位点而电子可迁移80微米以上。该研究揭示了强束缚A激子比弱束缚C激子具有更高的内量子效率，为设计高效二维光催化剂提供了新思路。

　　

在能源危机与环境问题日益严峻的今天，太阳能光催化技术被视为实现绿色氢能生产的重要途径。二维过渡金属二硫化物(2D TMDs)因其独特的电子结构和巨大的比表面积，成为光催化领域的研究热点。其中，单层二硫化钼(MoS₂)因其优异的电荷传输性能和丰富的活性位点备受关注。然而，长期以来，科学家们面临一个关键难题：在光催化过程中，究竟哪些位点真正参与反应？这些位点的效率如何？传统电催化研究无法揭示光诱导过程的本质特性，如激子生成、电荷分离与传输等关键机制。

来自德国慕尼黑工业大学(Technische Universit?t München)等机构的研究团队在《Nature Communications》发表重要成果。研究人员创新性地采用扫描光电化学显微镜(SPECM)技术，首次实现了单层MoS₂光催化活性位点的纳米级空间定位与效率量化，揭示了光生载流子的反常传输行为与量子效率的激子依赖性。

研究主要采用三项关键技术：1)化学气相沉积(CVD)制备高质量单层MoS₂样品；2)结合光致发光(PL)和拉曼光谱的显微表征系统；3)自主研发的SPECM系统，实现200纳米空间分辨率的光催化反应原位监测与量子效率 mapping。

"物理表征"部分显示，通过PL和拉曼光谱确认了单层MoS₂的典型特征：PL发射峰位于680nm，拉曼峰差Δ_peak=19cm^-1。吸收光谱清晰显示出A(1.85eV)、B(2.00eV)和C(2.72eV)三个特征跃迁，分别对应强束缚激子和弱束缚(类自由载流子)状态。

2的PL谱图位置映射、拉曼峰差图和光学图像，证实了材料的单层特性与缺陷分布。'>

"空间分辨光催化活性位点"部分取得了突破性发现。通过SPECM mapping技术，研究人员观察到氧化产物局限在光激发位置(图2e)，而还原产物(H₂)却能在80微米外被检测到(图2f)。这种反常现象暗示光生空穴与电子存在截然不同的传输行为。

"量子效率"研究部分(图4)揭示了更深刻的机制：强束缚的A激子表现出1.04%的内量子效率(IQE)，显著高于C跃迁(0.57%)。这一发现颠覆了传统认知，表明激子态可能比自由载流子更有利于光催化反应。

2不同位点的外量子效率(EQE)与内量子效率(IQE) mapping结果。'>

这项研究在多个层面具有里程碑意义：首先，SPECM技术实现了光催化活性位点的纳米级定位，为催化剂设计提供了"活性位点图谱"；其次，发现电子与空穴的传输解耦现象，为设计新型电荷分离结构指明方向；最重要的是，揭示了激子态在光催化中的优势地位，这对理解低维材料的光能转化机制具有重要理论价值。

研究团队特别指出，单层MoS₂中电子表现出超常的80微米扩散长度，这一发现可能重新定义人们对二维材料中电荷传输的认知。而激子态的高效催化性能则提示：通过调控材料的光学吸收特性，增强激子生成效率，可能是提升二维光催化剂性能的新途径。这些发现不仅适用于MoS₂体系，也为其他二维半导体材料的光催化研究提供了普适性指导原则。