综述：基于二维过渡金属硫族化合物（2D TMDs）的光催化剂 – 材料牛

二维（2D）过渡金属硫族化合物（TMDs），后石墨烯时代的一颗新星，在光催化领域具有基础性和技术性的吸引力。它们非凡的电子、光子和化学属性使它们成为有效的捕光体和光催化体。本文对用于光催化的2D TMDs材料进行了教程式和前瞻式的回顾和展望，指出了2D TMDs在光催化领域作为助催化剂和活性光催化剂的优势和挑战，以及相应的设计策略，和未来的机遇。

2. 背景介绍：

2D TMDs（例如MoS2, WS2, NbSe2）构成了一个迷人的材料库。它们是石墨烯（零带隙）的一种很有前途的替代品，并且在某些方面有超越石墨烯的潜力，因为它们具有多样的化学性质，从金属（如NbS2和VSe2）、半金属（如WTe2和TiSe2）、半导体（如MoS2和WS2）到绝缘体（如HfS2）。

这类材料最近在电子、光子、光电子、能量转换、电催化、环境修复、生物传感和生物成像等领域引起了广泛的兴趣，因为它们具有非凡的性质，包括原子薄层、强自旋轨道耦合、可调带隙、，强烈的激子效应等。

在过去的十年中，2D TMDs在光催化领域也从技术上吸引了研究者的好奇心。自2008年李灿院士发表的开创性工作（使用MoS2作为光催化制氢的助催化剂，J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 7176）以来，关于该主题的出版物急剧的增长（图1）。尽管这是一个年轻的领域，挑战依然存在，但它确实指出了一个的富有成效的现状和光明的未来。

鉴于此，香港城市大学曾志远教授，香港中文大学余济美教授，名古屋大学王谦教授，以及哈尔滨工业大学（深圳）朱荣淑教授等人，总结和展望了2D TMDs材料在光催化领域的优势，挑战，策略和机遇。

图1 | 用于光催化的2D TMDs的研究工作和年度出版物数量。

3、正文解析：

（一）基础知识

（Ⅰ）2D TMDs的基础知识

本节介绍了2D TMDs的组成、晶体结构和电子能带结构，旨在让读者对该材料家族有一个初步的认识。

组成。TMDs通常标记为MX2（M：IVB族至VIII族的过渡金属元素；X：VIA族的S、Se和Te元素）（图2a），是典型的2D层状纳米材料。每个TMD单层包含三个原子层，形成“X-M-X”夹层结构。相邻的单层之间的距离为6-7Å，由微弱的范德华力结合在一起，这使得它们很容易被剥离。

晶体结构。TMDs存在多种晶体结构（图2b）。具体地说，有三种众所周知的晶体结构，这些结构是由过渡金属原子的不同配位几何结构所形成的，即2H（三棱柱形）、1T（八面体）和1T′（畸变八面体的）。2H TMDs表现出Bernal（ABA）堆叠，而1T TMDs中原子平面的堆叠顺序是菱形ABC。结构相的多样性导致多样的电子性质。例如，2H-MoS2表现出半导体属性，而1T-MoS2则表现出金属特性。

电子能带结构。TMD具有可调谐（取决于厚度）的电子带隙（图3a），这是由量子限域效应引起的。以2H-MoS2为例，其计算的电子带隙值范围从0.88 eV（块体）到1.71 eV（单层）。有趣的是，当MoS2的厚度降低到单层时，它从间接带隙半导体变为直接带隙半导体，同时发光特性发生了戏剧性的跳跃（图3b）。此外，~2.16 eV是单层MoS2的电子带隙的实验值。不同TMD单层之间的带隙值也不同（图3c），这进一步导致它们的光谱响应率不同（图3d）。

图2 | 2D TMDs的组成和晶体结构。

图3 | 2D TMDs的电子能带结构。

（Ⅱ）光催化的基础知识：

本节介绍了光催化的基础知识，旨在帮助读者在关注2D TMDs之前对该催化技术有一个初步印象。本节内容包括：光催化相比于其他催化的优势，光催化基本原理和过程，光催化的热力学需求，光催化的动力学挑战，光催化的系统配置，以及评价光催化性能的参数指标。

光催化的优势。光催化利用太阳能（一种丰富、无污染和可再生的自然能源），来驱动化学过程，被认为是一种很有前途的技术。与传统的热催化（通常需要高温和高压操作环境）相比，大多数光催化是在环境条件下操作的，且可以避免过度氧化和催化剂失活。

光催化基本原理和过程。通常，基本的光催化过程包括三个步骤（图4a）：（1）光吸收；（2） 光生电荷载流子的分离和迁移；（3）表面氧化还原反应。值得注意的是，载流子迁移过程总是伴随着载流子复合，包括本体复合和表面复合，这不利于光催化，应尽可能避免。

光催化的热力学需求。光催化反应的发生需要满足热力学要求：（1）入射光子的能量应等于或大于半导体的光学带隙（Eg）；（2） 半导体的价带最大值（VBM）需要比给体的氧化电位（E（D/D−））更正；（3） 而导带最小值（CBM）需要比受体的还原电位（E（A+/A））更负。

光催化的动力学挑战。除了上述热力学要求，光催化还面临许多动力学挑战：（1）三个基本步骤跨越10−15至10−1 s的巨大时间尺度（10−15-10−9 s的光吸收、