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为解决能源与环境困境，研究人员构建 2D/2D/2D NiAl-LDH/V2C/PCN Z 型异质结，研究其光催化 CO2转化性能。结果显示该复合材料在 4 小时内生成 CO 和 CH4分别达 33.57 和 4.46 μmoles，为高效 CO2转化提供新思路。
研究背景与意义
全球能源短缺与二氧化碳（CO2）过度排放引发的环境危机，促使科研人员致力于开发可持续的碳循环技术。光催化 CO2转化为燃料（如 CO、CH4）被视为缓解能源与环境双重挑战的关键路径之一。然而，传统光催化剂如石墨相氮化碳（g-C3N4）面临电荷载流子复合率高、CO2吸附能力不足、活性位点有限等瓶颈，导致转化效率难以满足实际应用需求。开发高效的异质结结构，通过多材料协同作用优化电荷分离与界面反应，成为突破现有技术壁垒的核心方向。
在此背景下，研究人员聚焦于构建三元复合光催化体系，旨在通过二维（2D）材料的巧妙组合，形成高效的 Z 型异质结（Z-scheme heterojunction），以提升光催化 CO2还原性能。该研究由未知研究机构的科研团队开展，相关成果发表于《Fuel》，为光催化领域的发展提供了重要参考。
关键技术方法
研究采用共沉淀辅助水热法合成镍铝层状双氢氧化物（NiAl-LDH），通过硝酸质子化处理制备质子化 g-C3N4（PCN），利用氢氟酸（HF）蚀刻法获得 V2C MXene。通过超声与搅拌自组装技术，将三种材料复合形成 NiAl-LDH/V2C/PCN 三元异质结。借助 X 射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）等表征手段分析材料结构与形貌，利用紫外 - 可见光谱（UV-Vis）、光致发光光谱（PL）、电化学阻抗谱（EIS）评估光学与电学性能，并通过气相光催化反应器测试 CO2还原活性。
研究结果
3.1 光催化剂表征
- 结构与形貌：XRD 证实 V2C MXene、NiAl-LDH 和 PCN 的成功合成及复合后晶体结构的保留；FESEM 和 TEM 显示三元复合材料形成紧密的 2D/2D/2D 层状结构，NiAl-LDH 与 PCN 纳米片均匀分散于 V2C 表面，形成强界面接触。
- 光学性能：UV-Vis 表明复合材料拓宽了可见光吸收范围，PL 和 EIS 显示其电荷载流子复合率显著降低，电荷分离效率优于二元复合体系。
- 元素与化学状态：X 射线光电子能谱（XPS）验证了各组分的化学状态及界面电子转移行为，证实 Z 型异质结的形成。
3.2 光催化 CO2还原性能
- 单组分与二元复合对比：PCN 较 g-C3N4电荷分离效率提升，NiAl-LDH 与 PCN 复合（0.10NiAl-LDH/PCN）使 CO 和 CH4产率分别达 37.18 和 6.15 μmole g-1h-1；V2C 与 PCN 复合（0.15V2C/PCN）进一步提升产率至 46.53 和 8.08 μmole g-1h-1。
- 三元复合性能：优化后的 NiAl-LDH/V2C/PCN（0.15V2C/0.10NiAl-LDH/PCN）在 4 小时内 CO 和 CH4产量分别达 33.57 和 4.46 μmoles，较 NiAl-LDH 分别提升 4.36 倍和 3.07 倍，较 g-C3N4提升 3.29 倍和 2.69 倍，选择性达 88.27%。
- 稳定性：循环三次后催化活性无显著下降，XRD 和 FESEM 显示结构保持完整，证实材料具有优异的光稳定性。
3.3 反应机理
基于能带结构分析，复合材料形成 Z 型电荷转移机制：NiAl-LDH 与 PCN 的光生电子 - 空穴对通过 V2C MXene 的高导电性实现高效分离，电子富集于 V2C 用于 CO2还原，空穴留在 NiAl-LDH 驱动水氧化。这种协同作用不仅保留了强氧化还原能力，还通过增大比表面积和活性位点密度提升了 CO2吸附与活化效率。
结论与讨论
该研究成功构建了 NiAl-LDH/V2C/PCN 三元 2D/2D/2D Z 型异质结，通过多材料协同效应显著提升了光催化 CO2还原性能。V2C MXene 作为导电基底和电子 reservoir，有效促进电荷分离；NiAl-LDH 与 PCN 形成强界面接触，优化了 CO2吸附与表面反应动力学。研究结果表明，Z 型异质结设计与 2D 材料的合理组合是提升光催化效率的有效策略，为开发高效、稳定的 CO2转化催化剂提供了新范式。该工作不仅拓展了 MXene 基复合材料的应用场景，也为解决全球碳循环难题提供了重要的技术参考，有望推动光催化领域向实际应用迈出关键一步。
