人类活动对化石燃料的快速消耗显著增加了温室气体排放，导致了全球变暖[[1], [2], [3]]。这一日益严峻的环境问题加剧了人们对清洁和可再生能源的探索。其中，氢气作为一种无有害污染物的燃料备受关注，而太阳能则被广泛认为是最可靠的可再生能源[4,5]。结合这两种能源——利用太阳能生成氢气，为未来的能源系统提供了一条高度可持续和环保的途径。光电催化（PEC）水分解是一种特别高效的方法，它能够直接将太阳能转化为氢燃料[6]。在PEC水分解过程中，基于半导体的光催化剂吸收阳光中的光子，产生电子-空穴对，驱动将水分解为氢气和氧气所需的氧化还原反应。这一过程的效率取决于光催化剂吸收光、生成电荷载流子以及将它们传输到反应位点而不发生显著复合的能力[7,8]。人们已经探索了多种策略，包括设计异质结构[[9], [10], [11]]、负载共催化剂[12]、掺杂[13]以及表面功能化[[14], [15], [16]]，以改善电荷分离、增强稳定性并最大化太阳能到氢气的转换效率。尽管取得了这些进展，但诸如有限的光吸收、快速的电荷复合以及活性表面位点不足等挑战仍然存在，这凸显了继续研究先进光催化剂材料的必要性。因此，大量研究工作致力于通过优化电荷载流子的生成、分离和传输来提高这些光催化剂的性能，从而提高太阳能到氢气的转换效率。
近年来，过渡金属硫族化合物（TMDCs）因其独特的层状结构[17,18]、与光的强烈相互作用[19,20]、可调的带隙能量[21,22]以及显著的催化性能[23,24]而在光电催化（PEC）应用中受到了广泛关注。TMDCs通常遵循MX2的化学式，其中M和X分别代表过渡金属（Mo、W、Co或Nb等）和硫族原子（如S、Se或Te）。这些材料由X和M原子之间的强共价键组成，而相邻层之间的范德华力相对较弱[25,26]。它们的二维（2D）排列确保了较大的表面积、有效的电荷传输和低的复合损失，这对于增强光电催化活性非常重要[6]。此外，它们有利的带边位置使得太阳能吸收和电荷载流子的利用更加有效，适用于氢气演化反应（HER）[6,23,27]。在TMDCs中，MoS2由于其丰富性、在常规酸碱介质中的惰性、窄带隙以及出色的光电性能[24,[28], [29], [30]]而被广泛研究。WS2虽然具有类似的内在特性，但它还具备其他优势，使其特别适合用于异质结构工程和PEC应用。
WS2特别具有吸引力，因为它的带隙可调。从其块状形态的约1.4 eV间接带隙转变为单层形式的约1.9至2.1 eV直接带隙[[31], [32], [33], [34]]。这种直接带隙使得WS2在可见光谱中具有更强的光吸收能力，增强了光生电荷载流子的密度。此外，它还表现出优异的化学稳定性、强的催化活性以及促进电荷分离和高效水还原反应（HER）的活性边缘位点密度[[27]]。重要的是，通过调整厚度或诱导相变可以定制其电子特性，从而优化PEC性能[35]。最近的研究表明，少层WS2纳米片在光电流生成和稳定性方面优于块状WS2，这突显了纳米尺度工程在PEC应用中的重要性[36,37]。值得注意的是，WS2的导带与TiO2的导带高度匹配，有利于在形成异质结构时促进电子转移[38]。其二维形态还允许与TiO2纳米片紧密接触，从而加速电荷分离并增加活性位点的数量[6]。综合来看，这些特性使WS2成为构建WS2/TiO2异质结构的理想选择，旨在增强可见光吸收、改善电荷载流子动力学并提高太阳能驱动的氢气产生效率。
然而，WS2仍然面临一些实际限制，如快速的电荷复合、在可见光谱范围内的吸收有限、在惰性基底平面上的催化活性低以及其金属1T相的不稳定性（在操作条件下容易转变为导电性较低的2H相[6,27,35])。为了解决这些问题，构建基于WS2的宽带隙半导体异质结构已被证明非常有效[6,26,27,39,40]。这样的异质结可以改善可见光吸收、加速电荷分离，并为HER创造更多的活性位点[39,41,42]。在潜在的半导体伙伴中，TiO2由于其出色的化学稳定性、无毒性、丰富性以及适合电子提取的导带位置而脱颖而出[[43], [44], [45], [46]]。多项研究报道了使用不同TiO2形态（包括纳米颗粒[47]、纳米棒[40,48]和纳米带[49]）设计的WS2/TiO2异质结构，所有这些结构都在光电催化（PEC）活性方面显示出显著的改进。在TiO2形态中，垂直排列的二维（2D）TiO2纳米片特别有吸引力，因为它们的平面几何结构能够与2D WS2层实现广泛的界面耦合。然而，少层WS2纳米片与垂直排列的TiO2纳米片的集成尚未被探索。这种结构可以促进丰富的2D-2D界面之间的高效电子转移，从而增强可见光吸收、加速电荷分离并增加太阳能驱动的氢气产生反应的活性位点数量。
在本研究中，我们合成并表征了一种新型的WS2/TiO2异质结构，该结构由少层WS2纳米片与垂直排列的2D TiO2片组成。这种设计的架构旨在利用两种材料的互补特性，实现高效的电荷分离、减少复合损失并提高PEC活性。系统研究表明，与单独使用这两种材料相比，该异质结构表现出更好的PEC性能。这些发现为设计更先进的2D异质结构以实现高效、稳定且经济高效的太阳能到氢气转换技术指明了方向。
