在單一系統中同步收獲和轉換多種可再生能源用于化學燃料生產和環境修復是可持續能源技術的圣杯。然而，開發滿足不同工作機制的先進能量采集器具有挑戰性。在這里，研究者從理論上和實驗上揭示了 MXene 材料作為多能源利用的多功能催化劑的用途。Ti3C2TX MXene 對有機污染物分解和氫氣生產表現出卓越的催化性能。在光、熱和機械能的刺激下，它的性能優于大多數報道的催化劑。此外，使用Ti3C2TX時，壓電熱催化和壓電光熱催化的協同效應進一步提高了性能。機理研究表明，在不同的能量刺激下，Ti3C2TX 上會產生羥基和超氧自由基。此外，Ti2CTX、V2CTX 和 Nb2CTX MXene 材料也實現了類似的多功能性。這項工作預計將為使用 MXene 材料收集多源可再生能源開辟一條新途徑。
Fig 1. Ti3C2 和 Ti3C2TX 的能帶和晶體結構。 a-d 計算得出的 Ti3C2 和 Ti3C2TX 單層的能帶和偶極矩。 e 單層Ti3C2TX晶體結構的俯視圖，其中簡化的TX-Ti六方結構（上）和Ti-C六方結構（下）發生拉伸變形，從而產生壓電性。 f 單層 Ti3C2TX 晶體結構的側視圖以及 TX-Ti（上）和 Ti-C（下）鍵在 x-z 平面拉伸過程中晶體結構變形的簡化模型，從而產生壓電性。
Fig 2. Ti3C2TX 的表征。 a SEM圖像，b HRTEM圖像，Ti3C2TX的XPS譜：c Ti 2p，d O 1s，e F 1s.f AFM圖像，g Ti3C2TX的PFM圖像。 h Ti3C2TX 的幅度-電壓曲線。 i Ti3C2TX 的光照射-溫度曲線。 j Ti3C2TX 的熱圖像。
Fig 3. MB 的催化降解。 a Ti3AlC2 和 Ti3C2TX 降解亞甲基藍 (MB) 的壓電催化效率。 b 超聲處理 60 分鐘后不同極性半導體的 MB 去除率和相應的速率常數。 c 在黑暗中連續攪拌（1000 rpm）、298 K 下不同樣品上 MB 的壓電催化降解。 d, e MB 在 Ti3C2TX 上的熱催化降解以及相應的速率常數。 f–h Ti3C2TX 上 MB 的壓電熱催化降解和相應的速率常數。 (a-h)中的所有數據均收集了3次，誤差線代表標準差。
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Fig 4. Ti3C2TX 光熱催化降解 MB 及反應機理a 光熱催化測試示意圖。b 在700-1200 nm近紅外光照射下MB的光熱催化降解。 c Ti3C2TX 在超聲處理下的瞬態電流響應。 d 30 分鐘內不同反應條件下Ti3C2TX 上•OH 和•O
2 - 的濃度。 e 338 K 超聲處理下 Ti3C2TX 上 TA 溶液的熒光光譜。 f 338 K 超聲處理下 Ti3C2TX 上 NBT 分子的吸光度。g 不同能源刺激下Ti3C2TX降解有機物的反應機理。 (b,d)中的所有數據均收集了3次，誤差線代表標準差。
Fig 5. MXene 上的催化氫氣生產和 MB 降解。黑暗中超聲處理下 Ti3C2TX 的 H2 生產。b Ti3C2TX 與一些報道的典型壓電催化劑的析氫性能比較。 c Ti3C2TX在超聲處理下的穩定性。 d 十個循環反應后 Ti3C2TX 的 TEM 圖像。e 在超聲處理條件下，MB 在 MXene 材料上的催化降解。 f 不同反應條件下 V2CTX 上 MB 的催化降解。 g H2 在黑暗中超聲處理下產生 V2CTX、Nb2CTX 和 Ti2CTX。 (a–c, e–g)中的所有數據均收集了3次，誤差線代表標準差。
相關研究工作由泉州師范學院Xiaoyang Pan課題組和上海師范大學Zhenfeng Bian于2023年聯合在線發表在《Nature Communications》期刊上，2D MXenes polar catalysts for multi-renewable energy harvesting applications 。
原文：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-39791-w。
轉自《石墨烯研究》公眾號
