二维MXene如何助力光催化？

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高温硫电极：3D纳米叶阵列导电骨架!2D MXenes as Co‑catalysts in Photocatalysis: Synthetic Methods

Yuliang Sun, Xing Meng, Yohan Dall'Agnese, Chunxiang Dall'Agnese, Shengnan Duan, Yu Gao, Gang Chen, Xiao‑Feng Wang

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 79
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0309-6

本文亮点

1 本文对二维MXene作为助催化剂应用于光催化作用的合成方法进行了总结和分类：机械混合，自组装，原位修饰和氧化。

2 探讨了MXene在光催化中的作用机理。光催化性能的增加主要是由于改善了电荷分离并抑制了电荷复合。对未来的发展进行了展望。

内容简介

吉林大学王晓峰课题组对近年来MXene应用于光催化的复合方法进行了总结和展望。
机械搅拌是形成光催化剂复合材料的最简单方法。在液相中搅拌或者研磨光催化剂与助催化剂可用于样品制备。由于静电吸引，带有正电荷的光催化剂很容易与表面带有负电荷的MXene结合，形成自组装的光催化剂复合材料。此外，还可以利用其他诱导技术提高自组装性能。原位装饰方法是在MXene表面直接合成不同的材料。因此，原位合成的材料和MXene结合效果更好。然而，由于MXene在溶液中，尤其是在高温下，很容易被氧化，因此原位装饰的合成需要温和的条件。到目前为止，g-C3N4、TiO2、CdS和铋化合物已经通过这种方法与MXene结合。MXene氧化后有可以生成碳(大部分是无定形碳)，M元素在碳层上被氧化为金属氧化物。由此得到结构为金属氧化物/MXene/C的复合材料。MXene和C均可作为光催化过程中的助催化剂。但是这种方法的局限性在于只有少数半导体可以用作光催化剂。最后本文讨论了MXene作为助催化剂的机理，展望了未来MXene在光催化方向的应用。

研究背景

随着化石燃料的消耗和环境污染的加剧，太阳能作为可再生能源日益受到人们的关注，太阳能的转化和利用引起学者们的极大兴趣。光伏器件可以将太阳能转化为电能，但由于其转化间歇性而无法应用。光催化可以利用太阳能的能量转化为氢能储存起来，也可以用来降解有机废水，但是效率和成本是制约光催化发展的主要因素。MXene作为新兴的二维材料广泛应用于储能，催化，传感，医疗等领域。由于其优异的导电性可在光催化中作为助催化剂，并表现出了优异的性能，降低了反应成本。

图文导读

▍光催化中的电荷传递与分离

MXene由于具有良好的导电性，可以在光催化反应中起到助催化剂的作用，用于电荷的分离和传递。

图1 MXene助催化剂与光催化剂之间的电荷传递与分离。(a)Ye et al. Reprinted withthe permission from Copyright 2018 John Wiley & Sons. (b)Ran et al.Reprinted with the permission from Copyright 2017 Nature Publishing Group. (c)and (d)Peng et al.Reprinted with the permission from Copyright 2016American Chemical Society.

▍机械混合制备MXene/光催化剂复合物

采用机械混合的方法制备MXene与光催化剂的复合样品，二者界面明显。这种方法避免了高温处理，是一种方便简单的制备方法。

图2 机械混合方法制备MXene与光催化剂的TEM图像。(a)An et al. Reprinted withpermission from Copyright 2018 The Royal Society of Chemistry. (b)Xie et al.Reprinted with permission from Copyright 2018 Elsevier. (c)Ye et al. Reprintedwith permission from Copyright 2018 John Wiley & Sons. (d)Liu et al.Reprinted with permission from Copyright 2018 Elsevier.

▍原位修饰制备MXene/光催化剂复合物

光催化剂制备过程中原位修饰或者掺杂MXene可以获得二者的复合物，但是这种方法存在MXene的氧化问题，且由于MXene含量较小，不易于检测。

图3 原位修饰制备MXene/光催化剂复合。(a), (d)Reprinted withpermission from Copyright 2017 The Royal Society of Chemistry (b), (e)withpermission from Copyright 2018 The Royal Society of Chemistry (c), (f)withpermission from Copyright 2018 The Royal Society of Chemistry.

▍MXene氧化制备光催化剂复合物

MXene氧化制备MXene/光催化剂复合物使用MXene作为前驱体，形成金属氧化物/MXenes/C结构。MXene和C都可以作为光催化反应中的助催化剂。

图4 原位氧化制备MXene/光催化剂复合物。(a)Peng et al. Reprintedwith permission from Copyright 2016 American Chemical Society. (b)Peng et al.Reprinted with permission from Copyright 2017 Elsevier. (c)Jia et al.Reprinted with permission from Copyright 2018 American Chemical Society. (d)Peng et al. Reprinted with permission from Copyright 2018 Elsevier.

作者简介

王晓峰

吉林大学物理学院教授、博士生导师

▍主要研究成果

多次作为项目负责人主持了中国及日本国家自然科学基金层次的科研项目，其中包括2011-2014年度日本学术振兴会JSPS科研费若手A类；2008-2010年度日本文部科学省MEXT科研费若手B类；以及2007年度日本学术振兴机构JST先进技术萌芽研究助成金等。现主持在研2016-2019年度国家自然科学基金面上项目一项，吉林省自然科学基金项目一项，企业横向课题一项。至今共发表了包括Energy& Environ. Sci., ACS Energy Lett., Adv. Func. Mater., Chem. Comm., Adv.Mater., J. Phys. Chem. C., Langmuir, J. Mater. Chem. A，ACS App. Mater. &Interfaces, J. Power Sources, ChemSusChem, Biosens. Bioelectron., Organ.Electron., Appl. Phys. Lett.等杂志在内的SCI论文七十余篇，累计他引2000多次，H指数28。另外著有斯普林格出版社高效率太阳能电池专著一章，获得已授权日本专利2项。

Email: [e-mail]

孙宇良

（本文第一作者）

吉林大学物理学院在读博士研究生

▍主要研究成果

硕士毕业于大连理工大学。2017年考入吉林大学物理学院，研究方向为MXene在光催化分解水中的应用。在读期间发表SCI论文4篇。现于日本公派交流。

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报》编辑部

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