光催化水裂解有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和可持續(xù)的太陽(yáng)能產(chǎn)氫。最早使用的半導(dǎo)體材料產(chǎn)氫活性不高，近年來(lái)發(fā)展的Pt系共催化劑有效提高了光催化劑的產(chǎn)氫活性和穩(wěn)定性，但是成本對(duì)其商業(yè)化造成嚴(yán)重阻礙。因此，開發(fā)高活性、儲(chǔ)量豐富、低成本的共催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)清潔可持續(xù)的產(chǎn)氫是一項(xiàng)光榮且急迫的任務(wù)!
圖1.PEC光解水產(chǎn)氫示意圖
目前來(lái)說(shuō)，高活性、儲(chǔ)量豐富、低成本的共催化劑至少還存在以下幾個(gè)問(wèn)題：
1)共催化劑表面和光催化劑表面難以建立強(qiáng)相關(guān)作用，不利于界面電荷傳遞和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
2)共催化劑導(dǎo)電性較差或者π共軛體系破壞，導(dǎo)致內(nèi)部電子穿梭效率不高。
3)吉布斯自由能不利于析氫。
4)親水功能性不足，導(dǎo)致與水分子接觸不夠。
5)穩(wěn)定性不夠，有時(shí)需要在非水環(huán)境中。
圖2. Ti3C2的DFT計(jì)算
MXene，作為一類全新的二維材料(金屬碳化物、氮化物、碳氮化物的總稱)，在解決上述問(wèn)題中表現(xiàn)出極大的潛力：
1)MXenen表面含有大量-OH和-O，可與多種半導(dǎo)體表面建立強(qiáng)相關(guān)作用。
2)良好的導(dǎo)電性有助于電荷-載流子高效傳遞。
3)終端暴露的金屬位點(diǎn)使得MXene可能比碳材料具有更強(qiáng)的氧化還原活性。
4)良好的親水性確保和水分子的充分接觸。
5)可以在水中穩(wěn)定存在。
有鑒于此，喬世璋課題組通過(guò)DFT理論計(jì)算指導(dǎo)合成了一種具有高效共催化性能的MXene材料：Ti3C2納米顆粒。
圖3. Ti3C2納米顆粒的表征
研究人員通過(guò)水熱法將Ti3C2納米顆粒集成到吸光材料CdS表面，實(shí)現(xiàn)了活性高達(dá)14342 μmol h-1 g-1的可見光催化產(chǎn)氫，在420 nm處表觀量子效率為40.1%。同時(shí)，該策略也成功地拓展到了ZnS 或ZnxCd1−xS等其他光催化劑體系中。
圖4.產(chǎn)氫性能
研究人員認(rèn)為，高活性來(lái)源于更有利的費(fèi)米能級(jí)、導(dǎo)電性和Ti3C2納米顆粒優(yōu)異析氫性能的綜合效果。
這項(xiàng)研究成果可能是首次將MXenen作為共催化劑引入到光解水產(chǎn)氫體系中，證明了MXene在取代Pt，構(gòu)建低成本、高性能光電極或者光催化劑方面的巨大潛力。
圖5.產(chǎn)氫機(jī)理
