Weakening Mo–H Bond of Mo2C MXene Cocatalyst by Increased Antibonding-Orbital Occupancy State for Superior Photocatalytic Hydrogen Production

反键分子轨道 光催化 轨道能级差 光化学 电子缺陷 化学 材料科学 结晶学 电子 催化作用 原子轨道 物理 有机化学 分子 量子力学
作者
Miaomiao Pan,Ping Wang,Xuefei Wang,Feng Chen,Huogen Yu
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:11 (35): 13222-13231 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c04308
摘要

The 2D molybdenum carbide MXene (Mo2CTx) is a promising non-noble cocatalyst for photocatalytic H2 evolution due to its excellent metallic conductivity and Mo active sites with a Pt-like d-band structure. However, the basal plane of Mo2CTx contains numerous inactive F-terminal groups that spontaneously coordinate with exposed Mo atoms by F-containing etchants, which results in the strong Mo–Hads bonds and the weak desorption of produced H2 from their surface so that the Mo2CTx cocatalyst exhibits very limited hydrogen-evolution activity. Considering that the antibonding-orbital occupancy state of Mo can predominately optimize Mo–Hads bonds by free-electron transfer, in this work, an electron-reversal strategy of constructing a MoS2–Mo2C MXene heterophase by increasing the occupancy state of the antibonding orbital to weaken Mo–Hads bonds is first realized for the boosted H2-evolution activity. The MoS2–Mo2CTx/CdS photocatalysts were synthesized by a dual-functional l-Cys-assisted one-step hydrothermal method. Experimental results showed a superior H2-production activity of MoS2–Mo2CTx/CdS (2.35 mmol h–1 g–1, AQE = 3.64%), which was 20 and 2.6 times over those of CdS and Mo2CTx/CdS, respectively. Theoretical calculations corroborate that the weakened Mo–Hads bonds in the MoS2–Mo2CTx heterostructure are realized through the increasing antibonding-orbital occupancy state of Mo sites and the electron transfer from MoS2 to Mo2CTx for the enhanced photocatalytic hydrogen-production performance of CdS. This research determines the dominant role of antibonding-orbital occupancy states in the H-adsorption regulation of active sites in Mo2C MXene cocatalysts for photocatalytic hydrogen production.
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