Ti3C2 MXene量子点修饰BaTiO3纳米线实现高效压电-光催化产氢

为解决化石燃料依赖导致的能源与环境问题，研究人员通过合成Ti3C2 MXene量子点修饰的BaTiO3纳米线（Ti3C2-QDs@BaTiO3），显著提升压电-光催化协同产氢效率。该材料在压电-光催化过程中产氢速率达1315.4 μmol/(g•h)，较纯BaTiO3提升4.3倍，为绿色能源开发提供新策略。

　　

随着全球工业化进程加速，化石燃料过度消耗导致温室气体激增，开发绿色能源成为迫切需求。氢能（H₂）因其高燃烧值和零碳排放特性被视为理想替代能源，但传统光催化技术受限于半导体材料的光吸收能力弱、电荷复合率高（e^--h⁺ pairs）等问题。压电-光催化协同效应通过超声波激发压电材料产生内置电场，可显著提升催化效率，但如何设计高效稳定的催化材料仍是挑战。

针对这一难题，国内某研究机构（原文未明确机构名称）的Yujie Wang等研究人员设计了一种新型Ti₃C₂ MXene量子点（Ti₃C₂-QDs）修饰的BaTiO₃纳米线复合材料，通过压电-光催化协同作用实现高效产氢。相关成果发表于《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》。

研究采用溶剂热法合成Ti₃C₂-QDs@BaTiO₃纳米线，通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）验证材料结构；利用紫外-可见吸收光谱（UV-vis）和电化学阻抗谱（EIS）分析光吸收与电荷分离特性；在模拟太阳光和40 kHz超声振动下测试产氢性能。

3.1 材料表征
XRD显示复合材料成功保留BaTiO₃四方相和Ti₃C₂的（002）晶面特征（图1）。TEM证实Ti₃C₂-QDs均匀负载于BaTiO₃纳米线表面（图2），HRTEM观察到0.281 nm（BaTiO₃的（101）晶面）和0.251 nm（Ti₃C₂的（100）晶面）的晶格条纹（图2C）。XPS证实Ti⁴⁺和Ti-C键共存（图3），表明异质结成功构建。

3.2 性能优化
Ti₃C₂-QDs的引入使材料比表面积提升至78.7 m²/g（图4A），可见光吸收显著增强（图4B），带隙从3.25 eV降至3.13 eV。光电流测试显示Ti₃C₂-QDs@BaTiO₃–2的电荷分离效率最高（图5A），EIS证实其电荷转移电阻最低（图5B）。

3.3 催化机制
在压电-光催化协同作用下（图7），超声波诱导BaTiO₃产生压电势（q⁺/q^-），与光生载流子（e^--h⁺）共同参与水分解反应。Ti₃C₂-QDs作为电子受体促进电荷分离，使Ti₃C₂-QDs@BaTiO₃–2的产氢速率达1315.4 μmol/(g•h)，较纯BaTiO₃提升4.3倍（图6）。

该研究通过精准设计压电-光催化材料体系，为高效制氢提供了新思路。材料在循环测试后仍保持结构稳定（图S3），且40 kHz超声频率（图8B）和80 mg/L催化剂浓度（图8A）被证实为最优条件，具有实际应用潜力。未来可通过调控MXene量子点负载量进一步优化性能，推动绿色能源技术发展。