Boosting photocatalytic hydrogen production in complex environments by confining trace MoBT x MBene

光催化 吸附 制氢 半导体 材料科学 异质结 纳米技术 量子产额 催化作用 化学工程 载流子 共价键 化学 热液循环 Boosting(机器学习) 多相催化 量子效率 氢键 设计要素和原则 光化学 原位 合理设计 产量(工程) 光电子学 水热合成 分解水 量子 光催化分解水
作者
Binfen Wang,Hongwei Wang,Wenyu Xu,Zelin Chang,Junjian Li,Yutong Gong,Fei Huang,Junjie Wang,Xinliang Li
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:12 (13): eaed6189-eaed6189 被引量:2
标识
DOI:10.1126/sciadv.aed6189
摘要

Charge carrier recombination represents a fundamental constraint in semiconductor photocatalysis. Combining heterostructure design with deliberate defect engineering to facilitate hydrogen intermediate (*H) adsorption is a viable strategy for boosting photocatalytic hydrogen evolution reaction (HER). Herein, we design defective MBene via controlled etching and perform in situ hydrothermal assembly to develop a tailored MoBT x /CdS heterostructure. Incorporating a mere 0.5 wt % two-dimensional MoBT x MBene leads to a fourfold enhancement in HER activity over bare CdS. The established MoBT x /CdS catalyst achieves a remarkable HER of 10.2 millimoles per gram per hour under ambient conditions with 23.2% apparent quantum yield and sustains 90.2% activity after 24 hours of continued operation. Outstanding environmental adaptability is demonstrated through a consistent HER value of 7.1 millimoles per gram per hour in tap water and 5.7 millimoles per gram per hour in seawater. The temperature-dependent performance demonstrates notable robustness, reaching 11.1 millimoles per gram per hour at 35°C while preserving 40% functionality at harsh 5°C. Integrated photoelectrochemical and computational analyses elucidate that Mo vacancies create band alignment–optimizing electron traps and reduced *H adsorption barriers, enhancing fast carrier separation. Concurrently, interfacial covalent Mo─S bonds establish atomic-level charge-transfer pathways and enable rapid electron migration. This work establishes a previously unidentified paradigm for advanced photocatalyst design through concerted defect-interface modulation.
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