植物光合作用產(chǎn)生的木質(zhì)素生物質(zhì)是一種豐富的可持續(xù)資源，其是最理想的化石燃料替代品，對(duì)構(gòu)建可持續(xù)的綠色能源系統(tǒng)具有重要意義。目前，熱化學(xué)處理是將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為化學(xué)燃料的主要方法之一。由于木質(zhì)素復(fù)雜而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，熱催化受到產(chǎn)物選擇性差、產(chǎn)率低和額外化石能源消耗的限制。

由于熱催化和光催化的協(xié)同作用，光熱催化作為一種將木質(zhì)素生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)燃料的策略引起人們廣泛關(guān)注。固體酸是木質(zhì)素?zé)岽呋D(zhuǎn)化為化學(xué)燃料的有效催化劑，其活性位點(diǎn)歸屬于表面的Lewis或Br?nsted酸性位點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)具有Lewis酸性和水還原活性中心的光熱材料是促進(jìn)光熱催化木質(zhì)素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為H₂的有效策略。

基于此，南京大學(xué)于振濤、東南大學(xué)管杰和杭州電子科技大學(xué)元勇軍等成功構(gòu)建了一個(gè)有效的光熱催化體系，使用具有可調(diào)節(jié)層數(shù)的1T-2H MoS₂納米片作為催化劑。合成過(guò)程中較低的S/Mo比可以誘導(dǎo)形成具有較低層數(shù)的端基1T-2H相結(jié)構(gòu)，從而增加配位不飽和Mo原子作為木質(zhì)素及其衍生物分解的Lewis活性位點(diǎn)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的產(chǎn)氫活性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在光照下，最優(yōu)的MoS₂-7上的產(chǎn)氫速率高達(dá)3661 μmol h^?1 g^?1，太陽(yáng)能-氫氣(STH)轉(zhuǎn)化效率為0.18%，并且其還可以將自然界中豐富的木質(zhì)素生物質(zhì)如木屑、竹子、稻草、玉米芯和稻殼轉(zhuǎn)化為氫氣。

基于實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果，研究人員提出了木質(zhì)素生物質(zhì)在MoS₂催化劑上通過(guò)光熱催化產(chǎn)生氫氣的機(jī)制：MoS₂和生物質(zhì)堿溶液在光照下吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致反應(yīng)溶液溫度升高；配位不飽和Mo原子可與溶于堿性水溶液中的木質(zhì)素或其衍生物的O原子結(jié)合，導(dǎo)致C-O鍵斷裂；MoS₂的暴露邊緣是H₂生成反應(yīng)的活性位點(diǎn)，因此來(lái)自木質(zhì)素或H₂O的質(zhì)子可以與MoS₂的暴露邊緣結(jié)合，其接受電子后還原生成H₂。

綜上，以1T-2H為端基的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和較少的層數(shù)提供了豐富的暴露邊緣和Lewis酸中心，提高了MoS₂催化劑的光熱催化木質(zhì)素生物質(zhì)制氫活性，為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的可再生木質(zhì)素生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為氫燃料提供了一個(gè)可持續(xù)和具有成本效益的方法。

Regulating lewis acidic sites of 1T-2H MoS₂ catalysts for solar-driven photothermal catalytic H₂ production from lignocellulosic biomass. Nano Letters, 2023. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c03947