文献速递 | 吉林大学冯守华院士团队 AEM 光催化产氢

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第一作者：曾卉

通讯作者：吉林大学黄科科教授，中科院长春应化所王颖副研究员

DOI: 10.1002/aenm.202102765

  本文亮点  

电荷分离和转移是主导光合作用系统基本能量转换机制的核心问题。作者提出了一种多界面工程策略合理地进行原子级的界面调节，构建了具有强电子相互作用的多元全固态Z型结构。通过Ti轨道调制，MXene被用作固态电子媒介，在CNS和TiO₂之间形成了强耦合交互的电子传输网络，实现了高效的载流子定向分离和转移，使电荷分离效率大幅提高了7.2倍。此外，所得到的材料提供了高度稳定的光催化氢气活性，高达15.29 mmol· h^-1·g^-1，超过了许多报道的光催化剂。

  前    言  

2021年11月，Advanced Energy Materials杂志在线发表了应化所王颖副研究员，吉林大学黄科科教授、冯守华院士等人关于构建强耦合交互的电子传输全固态Z型光催化剂的最新研究成果。该工作从原子尺度研究了多元物相之间的强耦合界面工程能够促进电荷分离，实现了高效的光催化产氢性能。

  背景介绍  

通过光催化技术将太阳能转化为氢能是解决不可再生能源和环境污染的理想途径。植物光合系统最显著的特征是在温和条件下，通过电子传输介质，光系统之间的可实现高效电子传递效率。利用复相调制的手段，构建多元复合物有利于实现各物相之间的有效电子交互作用，促进电荷分离，提高光催化性能。因此，受自然的启发，通过构建仿生Z型结构系统来实现高效电荷分离得到了广泛且深入的研究。然而，在构建多元Z型结构时，多步骤引入的耦合过程会引起弱相互作用，各相的界面接触就像一堵堵“墙”一样，严重限制了电子的输运能力。因此，如何从原子尺度上精准地设计和准确地调制多相结构以确保高效率的电荷传输，进而实现高效率以及稳定的光催化体系，一直是一个重大的挑战。此外，多相结构的复杂性也阻碍了其结构的准确识别。结合先进的表征技术与理论计算，获得原子尺度上的结构信息是理解结构与光催化性能之间构效关系的关键性问题。

  本文所用仪器  

  图文解析  

图1. TiO₂/Ti₃C₂/氮化碳多元Z型结构光催化剂制备示意图。

图2. (a)CNS, (b)Ti₃C₂, (c)TiO₂/Ti₃C₂和(d)TiO₂/Ti₃C₂/CNS的透射图像。(e)TiO₂/Ti₃C₂/CNS的高分辨和(f)-(i)元素分布图像。CNS,Ti₃C₂/CNS和TiO₂/Ti₃C₂/CNS的(j)X射线衍射图谱, (k)红外图谱以及(l)紫外-可见光漫反射吸收图谱。

图3. CNS, Ti₃C₂/CNS和TiO₂/Ti₃C₂/CNS的(a)C 1s, (b)N 1s和(C)Ti 2p的XPS光谱。CNS,Ti₃C₂/CNS和TiO₂/Ti₃C₂/CNS的(d) C K边, (e) N K边, (f) Ti L边的同步辐射光谱。(g)CNS,Ti₃C₂,Ti₃C₂/CNS和TiO₂/Ti₃C₂/CNS态密度图。(h)Ti₃C₂/CNS和(i)TiO₂/Ti₃C₂/CNS的差分电荷密度图。

图4. CNS, Ti₃C₂/CNS和TiO₂/Ti₃C₂/CNS的(a)稳态荧光光谱和(b)瞬态荧光光谱。(c)在400纳米激光照下的TiO₂/Ti₃C₂/CNS的时间分辨瞬态吸收光谱图谱以及(d)CNS,Ti₃C₂/CNS和TiO₂/Ti₃C₂/CNS拟合的实验衰减动力学曲线。CNS,Ti₃C₂/CNS和TiO₂/Ti₃C₂/CNS的(e)稳态表面光电谱，(f)瞬态表面光电压谱，(g)阻抗谱图，(h)光电流响应曲线。(i)CNS,Ti₃C₂/CNS和TiO₂/Ti₃C₂/CNS的电荷分离效率的比较。

图5.(a) CNS, Ti₃C₂/CNS,TiO₂/Ti₃C₂/CNS,Ti₃C₂和TiO₂/Ti₃C₂样品的光催化产氢活性。(b)不同CNS基材料和TiO₂基材料中TiO₂/Ti₃C₂/CNS反应活性的比较。(c)产氢循环稳定性测定，黑线为CNS，红线为TiO₂/Ti₃C₂/CNS。(d)TiO₂/Ti₃C₂/CNS表观量子效率测定。(e) H原子的吸附吉布斯自由能(ΔG_H*)随反应坐标变化。

  全文小结  

综上所述，受自然启发，本文通过界面工程策略成功构建出一种独特的TiO₂/Ti₃C₂/CNS的三元Z型结构，从而实现高效光催化制氢。从原子尺度上阐明了多元界面的结构特点并且探讨其在高效光催化反应中起到至关重要的作用。三相传导网络建立了高通量Z方案电子传输通道，实现快速电荷分离。这一工作为设计和调制Z型界面结构提供了新的思路，系统地阐释了电子态结构调控改善电荷分离行为从而改善光催化性能的行为。

  文献信息  

Zeng, H., Wang, Y., Huang, K., Feng, S., et. al.Interfacial Engineering of TiO₂/Ti₃C₂ MXene/Carbon Nitride Hybrids Boosting Charge Transfer for Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution. Adv. Energy Mater. 2021, 2102765.

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