问渠哪得“氢”如许，唯有源头“活水”来：TiO2/MoS2异质界面高效产氢

火药存世久矣，《范子计然》曰“硝石出陇道”。火药配方详述于《武经总要》[注一]。多以硝石、硫磺、木炭等稀疏平常之事物主要原料；然威力巨大，小可伤人，大可攻城。故不同材料，互惠其利，可事半功倍。

兹光解水制氢，简言之，乃借光之力 [注二]，由水得氢 [注三]，氢燃之复得水，并将燃烧能量，转化为更易利用之能源。究其基本，乃光子诱发半导体内电子与空穴分离。制氢材料，多为半导体及其异质结构。70年代，基于TiO2的光解水石破天惊，其后，相关研究如火如荼，由点及面，得成显学。

为得光解水最佳效率，条件有三：材料带隙与光子能量契合无间，活性表面高效丰富，以及电荷于界面处流转顺畅。过去数十载，虽有纳米材料助力，材料比表面积大增，高效界面依然可遇不可求。TiO2孤军奋战，战力见殆，幸得表面活化剂助一臂之力。近年，二维材料研究现星火燎原之势。其中，以MoS2为首的过渡态金属硫属物为重镇之一 [注四]。MoS2天生片状材料，其侧边可提供产氢活性位点。然而其缺点亦突出：片状MoS2层间间隙过大，不利于电子流转运输，降低催化之效率。若考其结构可知，较之层间电导，其同层面内电导竟千余倍大之 [注五]。遂改善合成方法，终得MoS2片“立“于TiO2，以侧面与TiO2纳米棒结合。如此，纳米片的主平面<002>面 [注六] 便站在TiO2纳米棒表面，而非常规“平躺“。于是乎，TiO2中的光生电荷顺畅周转，由MoS2侧边进入高导电性的<002>面，终至催化位点。测之，当MoS2负载率至3%，得最高效率，其催化活性较纯TiO2纳米棒涨30余倍。

所谓：“问渠哪得“氢”如许，唯有源头活水来”。棒状纳米TiO2之高比表面积，层状MoS2侧边之高效催化位点，加之站起来的MoS2高导电性<002>面，因势利导，使得电荷流通顺畅，“游刃有余”，故得“源头活水”。

相关论文由新加坡南洋理工大学刘政教授课题组发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201600464)上。

注一 ：《武经总要》，十二卷，“火药法晋州硫黄十四两，窝黄七两，焰硝二斤半，麻茹一两，乾漆一两，砒黄一两，定粉一两，竹茹一两，黄丹一两，黄蜡半两，清油一分，桐油半两，松脂一十四两，浓油一分……蒺藜火球，以三枝六首铁刃，以火药团之，中贯麻绳，长一丈二尺。外以纸并杂药傅之，又施铁蒺藜八枚，各有逆须。放时，烧铁锥烙透，令焰出。”

注二：阳光或人造光

注三：氢气的来源根据电解液的酸碱性而不同，本文中氢来自于电解液中的水分子

注四：Transition metal dichalcogenide (TMDs)，主要包括MoS2, WS2, MoSe2, WSe2等。最近，关于基于Te的层状材料研究亦风生水起

注五：MoS2层间电阻为面内电阻为2000余倍

注六：MoS2 <002>即Basel平面，MoS2之基面

PS：此文为作者与同校好友范红金教授(NTU，SPMS)一起讨论定稿。

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